Ljusdioder, eller lysdioder, är nästan allestädes närvarande i det moderna livet, ger ljusstyrka i telefonskärmar, tv, och lampor. En ny form av lysdioder, tillverkad av en klass av material som kallas halogenidperovskiter, lovar högre färgkvalitet och enkel tillverkning, men har varit känt för att misslyckas när den utsätts för den typ av elektrisk ström som vanligtvis behövs för praktisk användning. Nu, Barry Rand, docent i elektroteknik och Andlinger Center for Energy and the Environment, och ett team av forskare har förbättrat materialets stabilitet och prestanda avsevärt genom att bättre hantera värmen som genereras av lysdioderna.

Forskningen, publicerad i Avancerade material , identifierar flera tekniker som minskar ackumulering av värme i materialet, som förlängde sin livstid tiofaldigt. När forskarna hindrade enheten från att överhettas, de kunde pumpa in tillräckligt med ström för att producera ljus hundratals gånger mer intensivt än en vanlig mobiltelefonskärm. Intensiteten, mätt i watt per kvadratmeter, återspeglar den verkliga mängden ljus som kommer från en enhet, påverkas inte av mänskliga ögon eller ljusets färg. Tidigare, en sådan strömnivå skulle ha orsakat lysdioden att gå sönder.

Förskottet upprättar en ny ljusstyrka och utvidgar gränserna för vad som är möjligt för materialet genom att förbättra de väletablerade egenskaperna hos perovskit-lysdioder och tillåta att dessa egenskaper praktiskt taget utnyttjas.

"Det är första gången vi har visat att värme verkar vara den stora flaskhalsen för dessa material som arbetar vid höga strömmar, "sa Rand." Det betyder att materialet kan användas för starka ljus och displayer, som aldrig trodde var möjligt. "

Rand, som också är associerad direktör för externa partnerskap vid Andlinger Center, sa att tydliga vägar nu är öppna för vidare utveckling men varnade för att tekniken fortfarande är 10 till 20 år från storskalig kommersiell användning.

För att innehålla ackumulering av Joule -värme i enheten, eller den typ av värme som härrör från elektrisk ström, forskarna tog metodiskt upp viktiga element. De konstruerade materialets sammansättning i enheten för att göra det mer elektriskt ledande och, därför, generera mindre värme under drift. De gjorde enheterna smalare än vanligt, ungefär en tiondel så tunn som en hårstrå, för att möjliggöra bättre värmespridning. Och, de lade till kylflänsar, eller komponenter som leder värme bort från känsliga elektriska komponenter, vilket hjälpte till att sprida värmen.

När dessa nyckelelement väl var på plats, de använde en taktik för att kontinuerligt "pulsera" enheten, eller snabbt slå på och av den, så snabbt att ett mänskligt öga inte kunde se flimmer, men tillräckligt med tid för att enheten ska återhämta sig och svalna. För denna del av arbetet, de utnyttjade expertisen hos medförfattaren Claire Gmachl, Eugene Higgins professor i elektroteknik. Genom att minska tiden som enheten faktiskt var på, forskarna uppnådde effektivitetsförbättringar, och kunde använda enheten längre än någonsin rapporterats. Rand beskriver arbetet som en "how-to" guide för drift av perovskit-lysdioder vid de höga effekttätheten som krävs för belysning och ljusa displayer.

Lianfeng Zhao, första författare på tidningen och en postdoktoral forskningsassistent vid Institutionen för elektroteknik, sade forskningen motverkar den rådande tanken på området att perovskiter i sig inte kunde fungera effektivt vid höga effekttätheter.

Arbetet är ett "viktigt genombrott" för fältet, sa Feng Gao, professor vid fysiska institutionen, Kemi och biologi vid Linköpings universitet, och en expert på organiska och perovskite halvledare för energiteknik.

"Att reducera Joule-uppvärmning är en betydande utmaning för perovskit-lysdioder mot hög ljusstyrka och långsiktig stabilitet, "sa Gao." Resultaten är verkligen uppmuntrande för den kommande kommersialiseringen av belysning och displayer baserade på perovskitmaterial. "

Tills nu, forskare hade trott att perovskit -lysdioder skulle vara användbara för att producera endast måttliga nivåer av ljusstyrka, men inte för belysning eller ultraljusa skärmar på mobiltelefoner och bärbara skärmar.

"Vi förbättrade omfattningen av möjliga applikationer, sa Zhao.

En av de mest tilltalande delarna av perovskit -lysdioder är hur de tillverkas, vilket kräver mycket mindre energi än att producera konventionella oorganiska lysdioder som används för belysning idag. Konventionella lysdioder är gjorda av en bit av en enda kristall, vilket är mycket svårt och dyrt att producera och ofta kräver ultrahöga vakuumsystem och temperaturer på mer än 1000 grader Celsius. Perovskitmaterial tillverkas vanligtvis vid temperaturer under 100 grader Celsius, och bildas av lösningar i en process som liknar bläckstråleskrivare. Om tekniken skulle kommersialiseras, det skulle sannolikt resultera i en betydande minskning av energin som krävs och koldioxidavtryck för denna elektronik, både vid tillverkning och drift.

Perovskite lysdioder ger en ren, koncentrerad färg, och forskarna hoppas också kunna använda materialet för att bygga billigt, lätt att göra lasrar. Och mer allmänt, Rand och Zhao sa att de kommer att fortsätta studera hur materialet fungerar för att bättre förstå dess egenskaper för att göra högre kvalitet, hållbar, och effektiva enheter.

"Det här är en ganska stor milstolpe, "sa Rand." Det är inte bara viktigt för vår forskning, men också för teknologer, formgivare, och elektronikindustrin. Vi tror att det finns en ljus framtid för materialet. "