Les lampes LED illuminent de plus en plus le monde. Les ventes mondiales de LED dans l'éclairage résidentiel sont passées de 5 % du marché en 2013 à 40 % en 2018, selon l'Agence internationale de l'énergie, et d'autres secteurs reflètent ces tendances. Une efficacité énergétique et une robustesse inégalées ont rendu les lampes LED populaires auprès des consommateurs.

Les scientifiques utilisent actuellement des superordinateurs pour mieux comprendre la structure cristalline de nouveaux matériaux qui pourraient rendre l'éclairage LED encore plus lumineux et plus abordable.

De nouvelles propriétés ont été découvertes dans un matériau LED prometteur pour l'éclairage à semi-conducteurs de nouvelle génération. Une étude de janvier 2020 dans la revue de chimie ACS Oméga a révélé des preuves indiquant un avenir meilleur pour les nitrures III cubiques dans les dispositifs photoniques et électroniques.

« La principale conclusion est que les LED de nouvelle génération peuvent, devrait, et fera mieux, " a déclaré le co-auteur de l'étude Can Bayram, professeur adjoint de génie électrique et informatique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. Sa motivation pour étudier les nitrures III cubiques provient du fait que la LED d'aujourd'hui perd une grande partie de son efficacité dans des conditions d'injection élevée de courant traversant l'appareil, nécessaire à l'éclairage général.

Le laboratoire de Bayram construit des cristaux nouvellement découverts atome par atome dans la vie réelle ainsi que dans leurs simulations afin qu'ils puissent corréler les expériences avec la théorie. « Nous avons besoin de nouveaux matériaux évolutifs pour être utilisés pour l'éclairage de nouvelle génération, " a déclaré Bayram. " La recherche de tels matériaux de manière opportune et précise nécessite une immense puissance de calcul. "

"Dans cette étude, nous explorons les propriétés fondamentales des matériaux de nitrure d'aluminium gallium indium en phase cubique", a déclaré Bayram.

"À ce jour, La recherche sur les LED vertes à base de nitrure d'indium et de gallium s'est limitée aux dispositifs naturels à phase hexagonale. Pourtant, ils sont limités en puissance, Efficacité, la vitesse, et bande passante, en particulier lors de l'émission de la couleur verte. Ce problème a alimenté nos recherches. Nous avons constaté que les matériaux en phase cubique réduisaient de dix pour cent la teneur en indium nécessaire pour l'émission de couleur verte en raison d'une bande interdite inférieure. Aussi, ils quadruplent la dynamique de recombinaison radiative en raison de leur polarisation nulle", a ajouté le co-auteur de l'étude et étudiant diplômé Yi-Chia Tsai.

Bayram décrit le modèle informatique utilisé comme « corroboré expérimentalement ». "Les propriétés fondamentales calculées des matériaux sont si précises que les résultats des calculs correspondent presque directement aux résultats expérimentaux, " il a dit.

Il a expliqué qu'il est difficile de modéliser des semi-conducteurs composés tels que le nitrure de gallium car ils sont composés, contrairement aux semi-conducteurs élémentaires tels que le silicium ou le germanium. Modélisation des alliages des semi-conducteurs composés, tels que le nitrure d'aluminium et de gallium, sont encore plus difficiles parce que, comme on dit, tout est question d'emplacement, emplacement, emplacement. Les positions atomiques relatives sont importantes.

"Dans une esquisse de cellule unitaire d'un cours de cristallographie, Les atomes d'Al et de Ga sont interchangeables. Mais ce n'est pas le cas dans notre recherche informatique, " Bayram a expliqué.                                                                       E un petit volume de l'ensemble du matériau semi-conducteur.

« Nous simulons la cellule unitaire pour économiser les ressources de calcul et utilisons des conditions aux limites appropriées pour déduire l'ensemble des propriétés du matériau. Ainsi, nous avons dû simuler toutes les combinaisons de cellules unitaires possibles et en déduire en conséquence - cette approche a donné la meilleure correspondance informatique avec celles expérimentales, " Bayram a déclaré. En utilisant cette approche, ils ont en outre exploré de nouveaux matériaux, bien que non réalisés expérimentalement.

Pour surmonter les défis informatiques, Bayram et Tsai ont demandé et obtenu des allocations de superordinateurs de l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). XSEDE est un système virtuel unique financé par la National Science Foundation que les scientifiques peuvent utiliser pour partager de manière interactive des ressources informatiques, Les données, et savoir-faire. Les systèmes Stampede2 et Ranch alloués par XSEDE au Texas Advanced Computing Center ont pris en charge les simulations et le stockage de données de Bayram.

"XSEDE est une ressource unique. Nous utilisons principalement le matériel XSEDE de pointe pour permettre les calculs de matériaux. Premièrement, Je tiens à souligner que XSEDE est un catalyseur. Sans XSEDE, nous n'avons pas pu effectuer cette recherche. Nous avons commencé avec des bourses d'allocation Startup puis Recherche. XSEDE, au cours des deux dernières années, nous a fourni des allocations de recherche évaluées à près de 20 $, 000 aussi. Une fois mis en œuvre, le résultat de nos recherches permettra d'économiser des milliards de dollars par an rien qu'en économies d'énergie, " dit Bayram.

Bayram stressed that non-scientists can benefit from this basic research into prototype LED materials. "We all need lighting, now more than ever. We not only need lighting for seeing. We need it for horticulture. We need it for communication. We need it for medicine. One percent efficiency increase in general lighting will save us $6 billion annually. In financial terms alone, this is a million times return on investment, " il a dit.

For any semiconductor device, scientists strive to understand the impurities within. The next stage in Bayram's research is to understand how impurities impact new materials and to explore how to dope the new material effectively. Through searching the most promising periodic table groups, he said they're looking for the best elemental dopants, which will eventually help the experimental realization of devices immensely.

Said Bayram:"Supercomputers are super-multipliers. They super-multiply fundamental research into mainstream industry. One measure of success comes when the research outcome promises a unique solution. A one-time investment of $20K into our computational quest will at least lead to $6 billion in savings annually. If not, meaning that the research outcome eliminates this material for further investigation, this early investment will help the industry save millions of dollars and research-hours. Our initial findings are quite promising, and regardless of the outcome the research will ultimately benefit society."

L'étude, "Band Alignments of Ternary Wurtzite and Zincblende III-Nitrides Investigated by Hybrid Density Functional Theory, " a été publié dans la revue ACS Oméga on January 30, 2020. The study co-authors are Yi-Chia Tsai and Can Bayram, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign. This work is supported by the National Science Foundation Faculty Early Career Development (CAREER) Program under award number NSF-ECCS-16-52871. The authors acknowledge the computational resources allocated by the Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) with Nos. TG-DMR180050 and TG-DMR180075.