Tecnologia Científica

A SMART investiga a ciência por trás do desempenho varia¡vel de LEDs de cores diferentes
As descobertas abrem caminho para o desenvolvimento de LEDs de próxima geraça£o mais eficientes que cobrem todo o espectro visível.
Por Aliança Cingapura-MIT - 30/04/2021


Uma matriz de LEDs multicoloridos periodicamente dispostos para emitir luz visível. Uma combinação de LEDs vermelhos, azuis e verdes baseados em InGaN éessencial para atender a s demandas de iluminação de maneira eficiente em todo o espectro visível. Créditos: Imagem cortesia da Aliana§a Cingapura-MIT para Pesquisa e Tecnologia

Pesquisadores do grupo de pesquisa interdisciplinar Sistemas Eletra´nicos de Baixa Energia (LEES) da Aliana§a para Pesquisa e Tecnologia de Cingapura-MIT (SMART), empresa de pesquisa do MIT em Cingapura, junto com o MIT e a Universidade Nacional de Cingapura (NUS), encontraram um manãtodo para quantificar a distribuição de flutuações composicionais nos poa§os qua¢nticos de nitreto de ga¡lio e a­ndio (InGaN) em diferentes concentrações de a­ndio.

Os diodos emissores de luz (LEDs) InGaN revolucionaram o campo da iluminação de estado sãolido devido a  sua alta eficiência e durabilidade e baixo custo. A cor da emissão do LED pode ser alterada variando a concentração de a­ndio no composto InGaN, dando aos LEDs InGaN o potencial para cobrir todo o espectro visível. Os LEDs InGaN com quantidades relativamente baixas de a­ndio em comparação com o ga¡lio, como os LEDs azul, verde e ciano, tem obtido um sucesso comercial significativo para aplicações de comunicação, indústria e automotivas. No entanto, os LEDs com maiores concentrações de a­ndio, como os LEDs vermelhos e a¢mbar, sofrem uma queda na eficiência com o aumento da quantidade de a­ndio.

Atualmente, os LEDs vermelho e a¢mbar são feitos com fosfeto de aluma­nio, a­ndio e ga¡lio (AlInGaP) em vez de InGaN devido ao fraco desempenho do InGaN no espectro vermelho e a¢mbar causado pela queda de eficiência. Compreender e superar a queda de eficiência éo primeiro passo para desenvolver LEDs InGaN cobrindo todo o espectro visível, o que reduziria significativamente os custos de produção.

Em um artigo intitulado " Desbloqueando a origem das flutuações composicionais nos diodos emissores de luz InGaN ", publicado recentemente na Physical Review Materials , a equipe empregou um manãtodo multifacetado para entender a origem das flutuações composicionais e seu efeito potencial na eficiência dos LEDs InGaN. A determinação precisa das flutuações composicionais écra­tica para entender seu papel na redução da eficiência em LEDs InGaN com composições de a­ndio mais altas.

“A [origem da] queda de eficiência experimentada em LEDs InGaN de maior concentração de a­ndio ainda édesconhecida atéhoje”, diz a coautora Professora Silvija Gradecak do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da NUS, que também épesquisadora principal da SMART LEES e professor visitante do MIT. “a‰ importante entender essa queda de eficiência para criar soluções que consigam supera¡-la. Para isso, projetamos um manãtodo capaz de detectar e estudar as flutuações composicionais nos poa§os qua¢nticos InGaN para determinar seu papel na queda de eficiência. ”

Os pesquisadores desenvolveram um manãtodo multifacetado para detectar flutuações composicionais de a­ndio nos poa§os qua¢nticos InGaN usando investigação sinanãrgica que combina manãtodos computacionais complementares, caracterização avana§ada em escala atômica e algoritmos auta´nomos para processamento de imagem.

Tara Mishra, autora principal e bolsista SMART PhD, diz: “Este manãtodo desenvolvido e usado em nossa pesquisa éde aplicabilidade geral e pode ser adaptado a outras investigações da ciência de materiais onde as flutuações composicionais precisam ser investigadas”.

“O manãtodo que desenvolvemos pode ser amplamente aplicado e fornecer valor e impacto significativos em outros estudos da ciência dos materiais, onde as flutuações composicionais atoma­sticas desempenham um papel importante no desempenho do material”, diz Pieremanuele Canepa, coautor do artigo, investigador principal da SMART LEES, professor assistente nos departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais e Engenharia Quí­mica e Biomolecular da NUS, e ex-pa³s-doutorado do MIT. “A compreensão da distribuição atômica de InGaN em concentrações varia¡veis ​​de a­ndio éa chave para o desenvolvimento de telas coloridas de próxima geração usando a plataforma de LED InGaN.”

A pesquisa descobriu que os a¡tomos de a­ndio são distribua­dos aleatoriamente em um InGaN com conteaºdo de a­ndio relativamente baixo. Por outro lado, a separação de fase parcial éobservada em InGaN com maior teor de a­ndio, onde flutuações composicionais aleata³rias são simulta¢neas com bolsaµes de regiaµes ricas em a­ndio.

As descobertas avana§aram a compreensão da microestrutura atômica do InGaN e seu efeito potencial no desempenho dos LEDs, abrindo caminho para pesquisas futuras para determinar o papel das flutuações composicionais na nova geração de LEDs InGaN e estratanãgias de design para prevenir a degradação de esses dispositivos.

A pesquisa foi realizada pela SMART e apoiada pela National Research Foundation Singapore em seu programa Campus for Research Excellence And Technological Enterprise (CREATE).

O grupo de pesquisa interdisciplinar LEES da SMART estãocriando novas tecnologias de circuito integrado que resultam em maior funcionalidade, menor consumo de energia e maior desempenho para sistemas eletra´nicos. Esses circuitos integrados do futuro impactara£o as aplicações em comunicações sem fio, eletra´nica de potaªncia, iluminação LED e visores. A LEES tem uma equipe de pesquisa verticalmente integrada com experiência em materiais, dispositivos e circuitos, composta por vários indivíduos com experiência profissional na indústria de semicondutores. Isso garante que a pesquisa seja direcionada para atender a s necessidades da indústria de semicondutores em Cingapura e globalmente.

A SMART foi criada pelo MIT em parceria com a NRF em 2007. A SMART éa primeira entidade no CREATE desenvolvida pela NRF. A SMART atua como um centro intelectual e de inovação para interações de pesquisa entre o MIT e Cingapura, realizando projetos de pesquisa de ponta em áreas de interesse para Cingapura e MIT. A SMART atualmente compreende um Centro de Inovação e cinco grupos de pesquisa interdisciplinares: Resistaªncia Antimicrobiana, Ana¡lise Cra­tica para Medicina Personalizada de Manufatura, Tecnologias Disruptivas e Sustenta¡veis ​​para Precisão Agra­cola, Mobilidade Urbana Futura e LEES.

 

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