LED-lampor lyser upp världen mer och mer. Den globala LED-försäljningen inom bostadsbelysning har ökat från fem procent av marknaden 2013 till 40 procent 2018, enligt Internationella energibyrån, och andra sektorer speglar dessa trender. En oöverträffad energieffektivitet och robusthet har gjort LED-lampor populära bland konsumenter.

Forskare använder för närvarande superdatorer för att få insikt om kristallstrukturen i nya material som kan göra LED -belysning ännu ljusare och mer prisvärd.

Nya egenskaper har hittats i ett lovande LED-material för nästa generations solid-state belysning. En studie från januari 2020 i kemitidskriften ACS Omega avslöjade bevis som pekar på en ljusare framtid för kubiska III-nitrider i fotoniska och elektroniska enheter.

"Det viktigaste resultatet är att nästa generations lysdioder kan, skall, och kommer att göra bättre, " sa studiens medförfattare Can Bayram, en biträdande professor i el- och datorteknik vid University of Illinois i Urbana-Champaign. Hans motivation för att studera kubiska III-nitrider härrör från det faktum att dagens LED förlorar mycket av sin effektivitet under höga insprutningsförhållanden av ström som passerar genom enheten, nödvändig för allmänbelysning.

Bayrams labb bygger nyupptäckta kristaller atom för atom i verkliga livet såväl som i deras simuleringar så att de kan korrelera experiment med teori. "Vi behöver nya material som är skalbara för att användas för nästa generations belysning, "Sade Bayram. "Att söka efter sådant material i tid och exakt kräver enorm beräkningskraft."

"I den här studien undersöker vi de grundläggande egenskaperna hos kubisk-fas aluminium gallium indium nitrid material," sade Bayram.

"Hittills, indiumgalliumnitridbaserad grön LED-forskning har begränsats till naturligt förekommande hexagonalfasenheter. Ändå är de begränsade i makt, effektivitet, fart, och bandbredd, speciellt när den avger den gröna färgen. Detta problem underblåste vår forskning. Vi fann att material i kubisk fas minskar den nödvändiga indiumhalten för den gröna färgemissionen med tio procent på grund av ett lägre bandgap. Också, de fyrdubblar strålningsrekombinationsdynamiken på grund av deras nollpolarisering. "tillade studieförfattare och doktorand Yi-Chia Tsai.

Bayram beskriver den beräkningsmodell som används som "experimentellt bekräftad". "De beräknade grundläggande materialegenskaperna är så exakta att beräkningsfynd har nästan en-mot-en-matchning med de experimentella, " han sa.

Han förklarade att det är utmanande att modellera sammansatta halvledare som galliumnitrid eftersom de är sammansatta, till skillnad från elementära halvledare som kisel eller germanium. Modellering av legeringar av sammansatta halvledare, såsom aluminiumgalliumnitrid, är ytterligare utmanande eftersom som man brukar säga, allt handlar om plats, plats, plats. Relativa atompositioner spelar roll.

"I en enhetscellskiss av en kristallografiklass, Al- och Ga-atomer är utbytbara. Men inte så i vår beräkningsforskning, Bayram förklarade.  Det beror på att varje atom och dess relativa position spelar roll när du simulerar enhetscellen, en liten volym av hela halvledarmaterialet.

"Vi simulerar enhetscellen för att spara beräkningsresurser och använder lämpliga gränsvillkor för att härleda hela materialets egenskaper. vi var tvungna att simulera alla möjliga enhetscellkombinationer och utgå därefter - detta tillvägagångssätt gav den bästa beräkningsmatchningen till de experimentella, " sa Bayram. Genom att använda detta tillvägagångssätt, de utforskade ytterligare nya men inte experimentellt realiserade material.

För att övervinna de beräkningsmässiga utmaningarna, Bayram och Tsai ansökte om och tilldelades superdatortilldelningar av Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). XSEDE är ett enda virtuellt system som finansieras av National Science Foundation som forskare kan använda för att interaktivt dela datorresurser, data, och expertis. XSEDE-allokerade Stampede2 och Ranch-system vid Texas Advanced Computing Center stödde Bayrams simuleringar och datalagring.

"XSEDE är en unik resurs. Vi använder i första hand den senaste XSEDE-hårdvaran för att möjliggöra materialberäkningar. För det första, Jag vill betona att XSEDE är en möjliggörare. Utan XSEDE, vi kunde inte utföra denna forskning. Vi började med Startup och sedan forskningsanslag. XSEDE – under de senaste två åren – försett oss med forskningsanslag värda nästan $20, 000 också. När det väl implementerats, Resultatet av vår forskning kommer att spara miljarder dollar årligen bara i energibesparingar, sa Bayram.

Bayram stressed that non-scientists can benefit from this basic research into prototype LED materials. "We all need lighting, now more than ever. We not only need lighting for seeing. We need it for horticulture. We need it for communication. We need it for medicine. One percent efficiency increase in general lighting will save us $6 billion annually. In financial terms alone, this is a million times return on investment, " han sa.

For any semiconductor device, scientists strive to understand the impurities within. The next stage in Bayram's research is to understand how impurities impact new materials and to explore how to dope the new material effectively. Through searching the most promising periodic table groups, he said they're looking for the best elemental dopants, which will eventually help the experimental realization of devices immensely.

Said Bayram:"Supercomputers are super-multipliers. They super-multiply fundamental research into mainstream industry. One measure of success comes when the research outcome promises a unique solution. A one-time investment of $20K into our computational quest will at least lead to $6 billion in savings annually. If not, meaning that the research outcome eliminates this material for further investigation, this early investment will help the industry save millions of dollars and research-hours. Our initial findings are quite promising, and regardless of the outcome the research will ultimately benefit society."

Studien, "Band Alignments of Ternary Wurtzite and Zincblende III-Nitrides Investigated by Hybrid Density Functional Theory, " was published in the journal ACS Omega on January 30, 2020. The study co-authors are Yi-Chia Tsai and Can Bayram, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign. This work is supported by the National Science Foundation Faculty Early Career Development (CAREER) Program under award number NSF-ECCS-16-52871. The authors acknowledge the computational resources allocated by the Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) with Nos. TG-DMR180050 and TG-DMR180075.