Ett team ledd av ingenjörer vid University of California San Diego har använt datautvinning och beräkningsverktyg för att upptäcka ett nytt fosformaterial för vita lysdioder som är billigt och enkelt att göra. Forskare byggde prototyp av vita LED-lampor med den nya fosforn. Prototyperna uppvisade bättre färgkvalitet än många kommersiella lysdioder som för närvarande finns på marknaden.

Forskare publicerade den nya fosforn den 19 februari i tidskriften Joule .

Fosforer, som är ämnen som avger ljus, är en av nyckelingredienserna för att göra vita lysdioder. De är kristallina pulver som absorberar energi från blått eller nära UV-ljus och avger ljus i det synliga spektrumet. Kombinationen av det olika färgade ljuset skapar vitt ljus.

De fosforer som används i många kommersiella vita lysdioder har flera nackdelar, dock. Många är gjorda av sällsynta jordartsmetaller, som är dyra, och vissa är svåra att tillverka. De producerar även lysdioder med dålig färgkvalitet.

Forskare vid UC San Diego och Chonnam National University i Korea upptäckte och utvecklade en ny fosfor som undviker dessa problem. Den består mestadels av jordnära element; det kan tillverkas med industriella metoder; och den producerar lysdioder som återger färger mer levande och exakt.

Den nya fosforn – gjord av grundämnena strontium, litium, aluminium och syre (en kombination kallad "SLAO") — upptäcktes med hjälp av en systematisk, beräkningsmetod med hög genomströmning utvecklad i labbet av Shyue Ping Ong, en nanoteknikprofessor vid UC San Diego Jacobs School of Engineering och huvudutredare för studien. Ongs team använde superdatorer för att förutsäga SLAO, som är det första kända materialet tillverkat av grundämnena strontium, litium, aluminium och syre. Beräkningar förutspådde också att detta material skulle vara stabilt och fungera bra som LED-fosfor. Till exempel, det förutspåddes att absorbera ljus i området nära UV och blått och ha hög fotoluminescens, vilket är materialets förmåga att avge ljus när det exciteras av en ljuskälla med högre energi.

Forskare i labbet av Joanna McKittrick, en materialvetenskapsprofessor vid Jacobs School of Engineering, kom sedan på receptet som behövs för att göra den nya fosforn. De bekräftade också fosforens förutspådda ljusabsorptions- och emissionsegenskaper i labbet.

Ett team ledd av materialvetenskapsprofessorn Won Bin Im vid Chonnam National University i Korea optimerade fosforreceptet för industriell tillverkning och byggde vita LED-prototyper med den nya fosforn. De utvärderade lysdioderna med hjälp av Color Rendering Index (CRI), en skala som värderar från 0 till 100 hur exakta färger visas under en ljuskälla. Många kommersiella lysdioder har CRI-värden runt 80. Lysdioder gjorda med den nya fosforn gav CRI-värden större än 90.

Beräkningssökandet efter ett nytt material

Tack vare den beräkningsmetod som utvecklats av Ongs team, upptäckten av fosforn tog bara tre månader – en kort tidsram jämfört med de år av försök och fel experiment det vanligtvis tar att upptäcka ett nytt material.

"Beräkningarna går snabbt, skalbar och billig. Använda datorer, vi kan snabbt screena tusentals material och förutsäga kandidater för nytt material som ännu inte har upptäckts, " sa Ong.

Ong, som leder Materials Virtual Lab och är fakultetsmedlem i Sustainable Power and Energy Center vid UC San Diego, använder en kombination av högkapacitetsberäkningar och maskininlärning för att upptäcka nästa generations material för energitillämpningar, inklusive batterier, bränsleceller och lysdioder. Beräkningarna utfördes med hjälp av National Science Foundations Extreme Science and Engineering Discovery Environment vid San Diego Supercomputer Center.

I den här studien, Ongs team sammanställde först en lista över de vanligast förekommande elementen i kända fosformaterial. Till forskarnas förvåning, de fann att det inte finns några kända material som innehåller en kombination av strontium, litium, aluminium och syre, som är fyra vanliga fosforelement. Med hjälp av en datautvinningsalgoritm, de skapade nya fosforkandidater innehållande dessa element och utförde en serie av första principberäkningar för att förutsäga vilken som skulle fungera bra som en fosfor. Av 918 kandidater, SLAO framstod som det ledande materialet. Den förutspåddes vara stabil och uppvisa utmärkta fotoluminescensegenskaper.

"Det är inte bara anmärkningsvärt att vi kunde förutsäga en ny fosforförening, men en som är stabil och faktiskt kan syntetiseras i labbet, sade Zhenbin Wang, en nanoteknik Ph.D. kandidat i Ongs forskargrupp och medförstaförfattare till studien.

Fosforens huvudsakliga begränsning är dess mindre än idealiska kvanteffektivitet - hur effektivt den omvandlar inkommande ljus till ljus av en annan färg - på cirka 32 procent. Dock, forskare noterar att den behåller mer än 88 procent av sina utsläpp vid typiska LED-driftstemperaturer. I kommersiella lysdioder, det finns vanligtvis en avvägning med färgkvalitet, Ong noterade. "Men vi vill ha det bästa av två världar. Vi har uppnått utmärkt färgkvalitet. Nu arbetar vi med att optimera materialet för att förbättra kvanteffektiviteten, " sa Ong.