Diodes électroluminescentes ou LED, comme on les appelle communément, remplacent lentement les ampoules à incandescence dans des applications allant des feux arrière de voiture aux indicateurs électroniques depuis leur invention dans les années 1960.

Éviter le filament d'une ampoule à incandescence et la vapeur de mercure d'une ampoule fluorescente, Les LED génèrent plutôt de la lumière en appliquant une tension aux bornes d'un semi-conducteur. Les électrons se combinent avec des trous (endroits de la structure cristalline où un électron pourrait mais n'existe pas, en les chargeant positivement), conduisant à l'émission de photons - des particules de lumière.

La plupart des LED utilisent des semi-conducteurs fabriqués à partir d'un matériau appelé nitrure de gallium (GaN). Ces LED GaN sont fiables et sûres, mais présentent l'inconvénient de devenir rapidement inefficaces à mesure que la tension augmente, un phénomène appelé "statisme d'efficacité".

« Plus de 10 % de l'électricité produite aux États-Unis est utilisée pour l'éclairage dans les secteurs commercial et résidentiel. Un passage à l'utilisation généralisée de l'éclairage LED entraînerait des économies d'énergie considérables, mais l'affaissement de l'efficacité est un obstacle majeur, " dit Marco Bernardi, professeur adjoint de physique appliquée et de science des matériaux à la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées de Caltech et auteur correspondant d'un article récent sur la source de l'affaissement de l'efficacité publié dans Nano Letters.

Le statisme d'efficacité se produit lorsque des électrons excités dépassent des puits quantiques de profondeur nanométrique dans GaN. Les puits sont conçus pour piéger les électrons en se combinant avec des trous. Lorsque les électrons sont trop énergétiques pour être piégés par les puits, ils s'échappent des appareils à LED sans émettre de lumière.

"Plusieurs modèles ont été proposés pour expliquer cette fuite d'électrons, mais ils ont tendance à se concentrer sur des analyses qualitatives qui utilisent l'intuition pour justifier des preuves expérimentales, " dit Bernardi.

En utilisant de nouvelles méthodes de calcul développées à Caltech, une équipe dirigée par Bernardi a étudié le GaN au niveau atomique et comment les vibrations du réseau - le "bourdonnement" de fond des mouvements thermiques atomiques dans un solide - affectent les électrons dans le matériau. On savait que ce bourdonnement draine l'énergie des électrons et des trous. Cependant, Bernardi a découvert que le drain se produit plus rapidement pour les trous que pour les électrons - un décalage qui permet aux électrons de dépasser les puits quantiques, échapper au GaN sans jamais se combiner avec des trous et émettre de la lumière.

"Notre travail montre pour la première fois que l'interaction toujours présente entre les électrons avec les vibrations du réseau peut, par lui-même, expliquer pourquoi les électrons excités peuvent s'échapper de la couche active et expliquer les inefficacités des LED GaN, " dit Bernardi.

Bernardi et ses collègues n'ont pas encore fini d'enquêter sur le statisme dans le GaN. Prochain, ils prévoient d'étudier comment le statisme dépend de la température et d'autres propriétés des matériaux.

L'étude s'intitule « Ultrafast Hot Carrier Dynamics in GaN and its Impact on the Efficiency Droop ».