Cette simulation d'un fil de nitrure d'indium d'un nanomètre de large montre la distribution d'un électron autour d'un « trou » chargé positivement. Un fort confinement quantique dans ces petites nanostructures permet une émission lumineuse efficace aux longueurs d'onde visibles. Crédit :Visualisation :Burlen Loring, Laboratoire national Lawrence Berkeley
Des nanostructures de la moitié de la largeur d'un brin d'ADN pourraient améliorer l'efficacité des diodes électroluminescentes (LED), surtout dans le « trou vert, " une portion du spectre où l'efficacité des LED plonge, des simulations au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique (NERSC) du département de l'Énergie des États-Unis l'ont montré.
En utilisant le supercalculateur Cray XC30 de la NERSC "Edison, " Les chercheurs de l'Université du Michigan Dylan Bayerl et Emmanouil Kioupakis ont découvert que le semi-conducteur nitrure d'indium (InN), qui émet généralement de la lumière infrarouge, émettra une lumière verte s'il est réduit à des fils de 1 nanomètre de large. De plus, juste en variant leurs tailles, ces nanostructures pourraient être adaptées pour émettre différentes couleurs de lumière, ce qui pourrait conduire à un éclairage blanc plus naturel tout en évitant une partie de la perte d'efficacité que les LED d'aujourd'hui subissent à haute puissance.
"Nos travaux suggèrent que le nitrure d'indium dans la gamme de taille de quelques nanomètres offre une approche prometteuse pour une ingénierie efficace, émission de lumière visible à des longueurs d'onde adaptées, " a déclaré Kioupakis. Leurs résultats, publié en ligne en février sous le titre "Visible-Wavelength Polarized Light Emission with Small-Diameter InN Nanowires, " et fera la couverture du numéro de juillet de Nano lettres .
Les LED sont des dispositifs semi-conducteurs qui émettent de la lumière lorsqu'un courant électrique est appliqué. Les LED d'aujourd'hui sont créées sous forme de puces multicouches. Les couches externes sont dopées avec des éléments qui créent une abondance d'électrons sur une couche et trop peu sur l'autre. Les électrons manquants sont appelés trous. Lorsque la puce est sous tension, les électrons et les trous sont poussés ensemble, confinés à la couche intermédiaire du puits quantique où ils sont attirés pour se combiner, se débarrassant de leur excès d'énergie (idéalement) en émettant un photon de lumière.
A faible puissance, les LED à base de nitrure (les plus couramment utilisées en éclairage blanc) sont très efficaces, convertissant la majeure partie de leur énergie en lumière. Mais augmentez la puissance à des niveaux qui pourraient éclairer une pièce et l'efficacité s'effondre, ce qui signifie qu'une plus petite fraction de l'électricité est convertie en lumière. Cet effet est particulièrement prononcé dans les LED vertes, donnant naissance au terme « espace vert ».
Les nanomatériaux offrent la perspective alléchante de LED qui peuvent être "cultivées" dans des réseaux de nanofils, points ou cristaux. Les LED résultantes pourraient non seulement être minces, flexible et haute résolution, mais très efficace, également.
(Vue alternative) Cette simulation d'un fil de nitrure d'indium d'un nanomètre de large montre la distribution d'un électron autour d'un « trou » chargé positivement. Un fort confinement quantique dans ces petites nanostructures permet une émission lumineuse efficace aux longueurs d'onde visibles. Crédit :Burlen Loring, Laboratoire national Lawrence Berkeley
"Si vous réduisez les dimensions d'un matériau à environ aussi large que les atomes qui le composent, alors vous obtenez le confinement quantique. Les électrons sont comprimés dans une petite région de l'espace, augmenter l'énergie de la bande interdite, " a déclaré Kioupakis. Cela signifie que les photons émis lorsque les électrons et les trous se combinent sont plus énergétiques, produisant des longueurs d'onde de lumière plus courtes.
La différence d'énergie entre les électrons et les trous d'une LED, appelé le bandgap, détermine la longueur d'onde de la lumière émise. Plus la bande interdite est large, plus la longueur d'onde de la lumière est courte. La bande interdite pour l'InN en vrac est assez étroite, seulement 0,6 électron-volt (eV), il produit donc de la lumière infrarouge. Dans les nanostructures InN simulées de Bayerl et Kioupakis, la bande interdite calculée a augmenté, conduisant à la prédiction que la lumière verte serait produite avec une énergie de 2,3 eV.
"Si nous pouvons obtenir le feu vert en réduisant les électrons de ce fil à un nanomètre, alors nous pouvons obtenir d'autres couleurs en adaptant la largeur du fil, " dit Kioupakis. Un fil plus large devrait donner du jaune, orange ou rouge. Un fil plus étroit, indigo ou violette.
Cela est de bon augure pour créer une lumière plus naturelle à partir des LED. En mélangeant du rouge, Les ingénieurs des LED vertes et bleues peuvent affiner la lumière blanche pour la réchauffer, teintes plus agréables. Cette méthode "directe" n'est pas pratique aujourd'hui car les LED vertes ne sont pas aussi efficaces que leurs homologues bleues et rouges. Au lieu, la plupart de l'éclairage blanc aujourd'hui provient de la lumière LED bleue passée à travers un phosphore, une solution similaire à l'éclairage fluorescent et pas beaucoup plus efficace. Les lumières LED directes seraient non seulement plus efficaces, mais la couleur de la lumière qu'ils produisent pourrait être réglée dynamiquement pour s'adapter à l'heure de la journée ou à la tâche à accomplir.
En utilisant l'InN pur, plutôt que des couches de matériaux de nitrure d'alliage, éliminerait un facteur qui contribue à l'inefficacité des LED vertes :les fluctuations de composition à l'échelle nanométrique dans les alliages. Il a été démontré que ceux-ci ont un impact significatif sur l'efficacité des LED.
Aussi, l'utilisation de nanofils pour fabriquer des LED élimine le problème de « discordance de réseau » des dispositifs en couches. "Lorsque les deux matériaux n'ont pas le même espacement entre leurs atomes et que vous grandissez l'un sur l'autre, il sollicite la structure, qui éloigne les trous et les électrons, les rendant moins susceptibles de se recombiner et d'émettre de la lumière, " dit Kioupakis, qui a découvert cet effet dans des recherches antérieures qui ont également fait appel aux ressources du NERSC. "Dans un nanofil fait d'un seul matériau, vous n'avez pas ce décalage et vous pouvez donc obtenir une meilleure efficacité, " il expliqua.
Les chercheurs soupçonnent également que le fort confinement quantique du nanofil contribue à l'efficacité en serrant les trous et les électrons plus près les uns des autres, un sujet de recherche future. "Le rapprochement des électrons et des trous dans la nanostructure augmente leur attraction mutuelle et augmente la probabilité qu'ils se recombinent et émettent de la lumière." dit Kioupakis.
Si ce résultat ouvre la voie à une voie d'exploration prometteuse, les chercheurs soulignent que ces petits nanofils sont difficiles à synthétiser. Cependant, ils soupçonnent que leurs découvertes peuvent être généralisées à d'autres types de nanostructures, tels que les nanocristaux d'InN embarqués, qui ont déjà été synthétisés avec succès dans la gamme de quelques nanomètres.
Le plus récent supercalculateur phare de la NERSC (nommé "Edison" en l'honneur de l'inventeur américain Thomas Edison) a joué un rôle déterminant dans leurs recherches, dit Bayerl. Les milliers de cœurs de calcul du système et la mémoire élevée par nœud ont permis à Bayerl d'effectuer des calculs massivement parallèles avec de nombreux téraoctets de données stockées dans la RAM, ce qui a rendu possible la simulation du nanofil InN. « Nous avons également grandement bénéficié du soutien expert du personnel du NERSC, " a déclaré Bayerl. Burlen Loring du groupe d'analyse de NERSC a créé des visualisations pour l'étude, y compris l'image de couverture du journal. Les chercheurs ont également utilisé le code open source BerkeleyGW, développé par Jack Deslippe du NERSC.
