Lysdioder-eller lysdioder, som de är allmänt kända – har sakta bytt ut glödlampor i applikationer som sträcker sig från bilbaklyktor till indikatorer på elektronik sedan de uppfanns på 1960-talet.

Undvik glödtråden från en glödlampa och kvicksilverångan från en lysrör, Lysdioder genererar istället ljus genom att applicera en spänning över en halvledare. Elektroner kombineras med hål (ställen i den kristallina strukturen där en elektron kan men inte existerar, gör dem positivt laddade), leder till emission av fotoner — ljuspartiklar.

De flesta lysdioder använder halvledare gjorda av ett material som kallas galliumnitrid (GaN). Dessa GaN-lysdioder är pålitliga och säkra, men har nackdelen att snabbt bli ineffektiv när spänningen skalas upp, ett fenomen som kallas "effektivitetsdroop".

"Mer än 10 procent av elen som genereras i USA används för belysning i kommersiella och bostadssektorer. En övergång till den utbredda användningen av LED-belysning skulle leda till dramatiska energibesparingar, men effektivitetsminskning är en stor vägspärr, säger Marco Bernardi, biträdande professor i tillämpad fysik och materialvetenskap vid avdelningen för ingenjörsvetenskap och tillämpad vetenskap vid Caltech och motsvarande författare till en färsk artikel om källan till effektivitetsdroop som publicerades i Nano Letters.

Effektivitetsfall uppstår när exciterade elektroner överskrider nanometerdjupa kvantbrunnar i GaN. Brunnarna är utformade för att fånga elektroner i kombination med hål. När elektroner är för energiska för att fångas av brunnarna, de läcker ut ur LED-enheter utan att avge något ljus.

"Flera modeller har föreslagits för att förklara detta elektronläckage, men de tenderar att fokusera på kvalitativa analyser som använder intuition för att motivera experimentella bevis, säger Bernardi.

Med hjälp av nya beräkningsmetoder utvecklade på Caltech, ett team under ledning av Bernardi studerade GaN på atomnivå och hur gittervibrationer - bakgrunden "brum" av atomära termiska rörelser i ett fast ämne - påverkar elektroner i materialet. Det var känt att detta brum dränerar energi från både elektroner och hål. Dock, Bernardi fann att dräneringen sker snabbare för hål än elektroner - en obalans som gör att elektronerna kan överskrida kvantbrunnar, fly från GaN utan att någonsin kombinera med hål och avge ljus.

"Vårt arbete visar för första gången att den ständigt närvarande interaktionen mellan elektroner med gittervibrationer kan, av sig själv, förklara varför exciterade elektroner kan läcka ut ur det aktiva lagret och förklara ineffektiviteten i GaN-lysdioder, säger Bernardi.

Bernardi och hans kollegor har ännu inte avslutat undersökningen av fallet i GaN. Nästa, de planerar att studera hur fall beror på temperatur och andra materialegenskaper.

Studien har titeln "Ultrafast Hot Carrier Dynamics in GaN and its Impact on the Efficiency Droop."