Nanostrukturer halva bredden av en DNA -sträng kan förbättra effektiviteten hos ljusemitterande dioder (lysdioder), speciellt i den "gröna klyftan, "en del av spektrumet där LED-effektiviteten sjunker, simuleringar vid det amerikanska energidepartementets National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) har visat.

Använder NERSC:s Cray XC30 superdator "Edison, " University of Michigans forskare Dylan Bayerl och Emmanouil Kioupakis fann att halvledaren indiumnitrid (InN), som vanligtvis avger infrarött ljus, kommer att avge grönt ljus om de minskas till 1 nanometer breda ledningar. Dessutom, bara genom att variera deras storlekar, dessa nanostrukturer kan skräddarsys för att avge olika färger av ljus, vilket skulle kunna leda till mer naturligt utseende vit belysning samtidigt som man undviker en del av effektivitetsförlusten som dagens lysdioder upplever vid hög effekt.

"Vårt arbete tyder på att indiumnitrid i storleksintervallet några nanometer erbjuder ett lovande tillvägagångssätt för ingenjörseffektivitet, emission av synligt ljus vid skräddarsydda våglängder, " sa Kioupakis. Deras resultat, publicerades online i februari som "Synlig våglängds polariserad ljusemission med liten diameter InN Nanotrådar, " och kommer att visas på omslaget till julinumret av Nanobokstäver .

Lysdioder är halvledarenheter som avger ljus när en elektrisk ström appliceras. Dagens lysdioder skapas som flerskiktade mikrochips. De yttre lagren är dopade med element som skapar ett överflöd av elektroner på det ena lagret och för få på det andra. De saknade elektronerna kallas hål. När chippet är strömsatt, elektronerna och hålen trycks ihop, begränsade till det mellanliggande kvantbrunnsskiktet där de attraheras att kombinera, avger sin överskottsenergi (helst) genom att sända ut en foton av ljus.

Vid låg effekt, nitridbaserade lysdioder (används oftast i vit belysning) är mycket effektiva, omvandlar det mesta av sin energi till ljus. Men vrid upp strömmen till nivåer som kan lysa upp ett rum och effektiviteten sjunka, vilket innebär att en mindre del av elektriciteten omvandlas till ljus. Denna effekt är särskilt uttalad i gröna lysdioder, ger upphov till termen "grön klyfta".

Nanomaterial erbjuder de lockande utsikterna med lysdioder som kan "odlas" i arrayer av nanotrådar, prickar eller kristaller. De resulterande lysdioderna kunde inte bara vara tunna, flexibel och högupplöst, men väldigt effektivt, också.

"Om du minskar dimensionerna på ett material till att vara ungefär lika brett som atomerna som utgör det, då får man kvantinneslutning. Elektronerna pressas in i ett litet område av rymden, öka bandgapenergin, " sa Kioupakis. Det betyder att fotonerna som emitteras när elektroner och hål kombineras är mer energiska, producerar kortare våglängder av ljus.

Energiskillnaden mellan en lysdiods elektroner och hål, kallas bandgap, bestämmer våglängden på det emitterade ljuset. Ju större bandgap, desto kortare ljusvåglängd. Bandgapet för bulk InN är ganska smalt, endast 0,6 elektronvolt (eV), så den producerar infrarött ljus. I Bayerl och Kioupakis simulerade InN nanostrukturer, det beräknade bandgapet ökade, vilket leder till förutsägelsen att grönt ljus skulle produceras med en energi på 2,3 eV.

"Om vi ​​kan få grönt ljus genom att klämma ner elektronerna i den här tråden till en nanometer, då kan vi få andra färger genom att skräddarsy trådens bredd, "sa Kioupakis. En bredare tråd bör ge gul, orange eller röd. En smalare tråd, indigo eller violett.

Det bådar gott för att skapa mer naturligt ljus från LED. Genom att blanda rött, gröna och blå LED-tekniker kan finjustera vitt ljus till varmare, mer tilltalande nyanser. Denna "direkta" metod är inte praktisk idag eftersom gröna lysdioder inte är lika effektiva som sina blå och röda motsvarigheter. Istället, mest vit belysning idag kommer från blått LED-ljus som passerar genom en fosfor, en lösning som liknar lysrörsbelysning och inte mycket mer effektiv. Direkt LED-ljus skulle inte bara vara mer effektivt, men färgen på ljuset som de producerar kunde ställas in dynamiskt för att passa tiden på dygnet eller uppgiften.

Genom att använda ren InN, snarare än lager av legeringsnitridmaterial, skulle eliminera en faktor som bidrar till ineffektiviteten hos gröna lysdioder:fluktuationer i nanoskala sammansättning i legeringarna. Dessa har visat sig påverka LED-effektiviteten avsevärt.

Också, Genom att använda nanotrådar för att göra lysdioder elimineras problemet med "gittermismatchning" för lagrade enheter. "När de två materialen inte har samma avstånd mellan sina atomer och du växer över varandra, det belastar strukturen, som flyttar hålen och elektronerna längre isär, vilket gör dem mindre benägna att rekombinera och avge ljus, sa Kioupakis, som upptäckte denna effekt i tidigare forskning som också drog på NERSC-resurser. "I en nanotråd gjord av ett enda material, du har inte denna felaktighet och så kan du få bättre effektivitet, " han förklarade.

Forskarna misstänker också att nanotrådens starka kvantinneslutning bidrar till effektiviteten genom att klämma hålen och elektronerna närmare varandra, ett ämne för framtida forskning. "Att föra elektronerna och hålen närmare varandra i nanostrukturen ökar deras ömsesidiga attraktion och ökar sannolikheten att de kommer att rekombinera och avge ljus." sa Kioupakis.

Även om detta resultat visar vägen mot en lovande utforskningsväg, forskarna betonar att så små nanotrådar är svåra att syntetisera. Dock, de misstänker att deras fynd kan generaliseras till andra typer av nanostrukturer, såsom inbäddade InN nanokristaller, som redan framgångsrikt har syntetiserats i få-nanometerområdet.

NERSC:s senaste flaggskeppssuperdator (som heter "Edison" för att hedra den amerikanske uppfinnaren Thomas Edison) var avgörande i deras forskning, sa Bayerl. Systemets tusentals beräkningskärnor och höga minne per nod gjorde det möjligt för Bayerl att utföra massivt parallella beräkningar med många terabyte data lagrade i RAM, vilket gjorde InN nanotrådssimuleringen genomförbar. "Vi hade också stor nytta av expertstödet från NERSCs personal, " sa Bayerl. Burlen Loring från NERSCs Analytics Group skapade visualiseringar för studien, inklusive tidskriftens omslagsbild. Forskarna använde också BerkeleyGW-koden med öppen källkod, utvecklad av NERSC:s Jack Deslippe.