Tecnologia Científica

A SMART investiga a ciência por trás do desempenho variável de LEDs de cores diferentes
As descobertas abrem caminho para o desenvolvimento de LEDs de próxima geração 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 é essencial para atender às demandas de iluminação de maneira eficiente em todo o espectro visível. Créditos: Imagem cortesia da Aliança Cingapura-MIT para Pesquisa e Tecnologia

Pesquisadores do grupo de pesquisa interdisciplinar Sistemas Eletrônicos de Baixa Energia (LEES) da Aliança 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 método para quantificar a distribuição de flutuações composicionais nos poços quânticos de nitreto de gálio e índio (InGaN) em diferentes concentrações de índio.

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

Atualmente, os LEDs vermelho e âmbar são feitos com fosfeto de alumínio, índio e gálio (AlInGaP) em vez de InGaN devido ao fraco desempenho do InGaN no espectro vermelho e âmbar causado pela queda de eficiência. Compreender e superar a queda de eficiência é o 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 método multifacetado para entender a origem das flutuações composicionais e seu efeito potencial na eficiência dos LEDs InGaN. A determinação precisa das flutuações composicionais é crítica para entender seu papel na redução da eficiência em LEDs InGaN com composições de índio mais altas.

“A [origem da] queda de eficiência experimentada em LEDs InGaN de maior concentração de índio ainda é desconhecida até hoje”, diz a coautora Professora Silvija Gradecak do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da NUS, que também é pesquisadora principal da SMART LEES e professor visitante do MIT. “É importante entender essa queda de eficiência para criar soluções que consigam superá-la. Para isso, projetamos um método capaz de detectar e estudar as flutuações composicionais nos poços quânticos InGaN para determinar seu papel na queda de eficiência. ”

Os pesquisadores desenvolveram um método multifacetado para detectar flutuações composicionais de índio nos poços quânticos InGaN usando investigação sinérgica que combina métodos computacionais complementares, caracterização avançada em escala atômica e algoritmos autônomos para processamento de imagem.

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

“O método que desenvolvemos pode ser amplamente aplicado e fornecer valor e impacto significativos em outros estudos da ciência dos materiais, onde as flutuações composicionais atomísticas 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-pós-doutorado do MIT. “A compreensão da distribuição atômica de InGaN em concentrações variáveis ​​de índio é a chave para o desenvolvimento de telas coloridas de próxima geração usando a plataforma de LED InGaN.”

A pesquisa descobriu que os átomos de índio são distribuídos aleatoriamente em um InGaN com conteúdo de índio relativamente baixo. Por outro lado, a separação de fase parcial é observada em InGaN com maior teor de índio, onde flutuações composicionais aleatórias são simultâneas com bolsões de regiões ricas em índio.

As descobertas avançaram 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 estratégias 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 está criando novas tecnologias de circuito integrado que resultam em maior funcionalidade, menor consumo de energia e maior desempenho para sistemas eletrônicos. Esses circuitos integrados do futuro impactarão as aplicações em comunicações sem fio, eletrônica de potência, 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 às necessidades da indústria de semicondutores em Cingapura e globalmente.

A SMART foi criada pelo MIT em parceria com a NRF em 2007. A SMART é a 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: Resistência Antimicrobiana, Análise Crítica para Medicina Personalizada de Manufatura, Tecnologias Disruptivas e Sustentáveis ​​para Precisão Agrícola, Mobilidade Urbana Futura e LEES.

 

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