p As lâmpadas LED iluminam cada vez mais o mundo. As vendas globais de LED em iluminação residencial aumentaram de 5% do mercado em 2013 para 40% em 2018, de acordo com a Agência Internacional de Energia, e outros setores refletem essas tendências. Uma eficiência energética e robustez incomparáveis ​​tornaram as luzes LED populares entre os consumidores. p Os cientistas estão atualmente usando supercomputadores para obter informações sobre a estrutura cristalina de novos materiais que podem tornar a iluminação LED ainda mais brilhante e acessível.

p Novas propriedades foram encontradas em um material LED promissor para iluminação de estado sólido de próxima geração. Um estudo de janeiro de 2020 no periódico de química ACS Omega revelou evidências que apontam para um futuro mais brilhante para os nitretos III cúbicos em dispositivos fotônicos e eletrônicos.

p "A principal descoberta é que os LEDs de próxima geração podem, deve, e fará melhor, "disse o co-autor do estudo Can Bayram, professor assistente de engenharia elétrica e da computação na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. Sua motivação para estudar os nitretos III cúbicos vem do fato de que o LED de hoje perde muito de sua eficiência sob condições de alta injeção de corrente que passa pelo dispositivo, necessário para iluminação geral.

p O laboratório de Bayram constrói cristais recém-descobertos átomo por átomo na vida real, bem como em suas simulações, para que possam correlacionar experimentos com a teoria. "Precisamos de novos materiais que sejam escalonáveis ​​para serem usados ​​na iluminação de próxima geração, "Bayram disse." Pesquisar esses materiais de maneira oportuna e precisa requer imenso poder computacional. "

p "Neste estudo, estamos explorando as propriedades fundamentais dos materiais de nitreto de índio e alumínio e gálio em fase cúbica", disse Bayram.

p "A data, A pesquisa de LED verde à base de nitreto de índio e gálio foi restrita a dispositivos de fase hexagonal de ocorrência natural. No entanto, eles são limitados em poder, eficiência, Rapidez, e largura de banda, particularmente ao emitir a cor verde. Este problema alimentou nossa pesquisa. Descobrimos que os materiais da fase cúbica reduzem o conteúdo de índio necessário para a emissão da cor verde em dez por cento devido a um bandgap menor. Também, eles quadruplicam a dinâmica de recombinação radiativa em virtude de sua polarização zero ".

p Bayram descreve o modelo computacional usado como "corroborado experimentalmente". "As propriedades computacionais do material fundamental são tão precisas que as descobertas computacionais têm quase uma correspondência um-a-um com os experimentais, " ele disse.

p Ele explicou que é um desafio modelar semicondutores compostos, como nitreto de gálio, porque eles são compostos, ao contrário de semicondutores elementares como silício ou germânio. Ligas de modelagem dos semicondutores compostos, como nitreto de alumínio e gálio, são ainda mais desafiadores porque, como diz o ditado, é tudo uma questão de localização, localização, localização. As posições atômicas relativas são importantes.

p "Em um esboço de célula unitária de uma classe de cristalografia, Os átomos de Al e Ga são intercambiáveis. Mas não é assim em nossa pesquisa computacional, "Bayram explicou. Isso porque cada átomo e sua posição relativa são importantes quando você está simulando a célula unitária, um pequeno volume de todo o material semicondutor.

p "Simulamos a célula unitária para economizar recursos computacionais e usar condições de contorno adequadas para inferir todas as propriedades do material. Assim, tivemos que simular todas as combinações de células unitárias possíveis e inferir em conformidade - esta abordagem deu a melhor correspondência computacional para as experimentais, "Disse Bayram. Usando esta abordagem, eles exploraram ainda novos materiais, embora não realizados experimentalmente.

p Para superar os desafios computacionais, Bayram e Tsai se inscreveram e foram premiados com alocações de supercomputador pelo Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE). XSEDE é um único sistema virtual financiado pela National Science Foundation que os cientistas podem usar para compartilhar recursos de computação de forma interativa, dados, e experiência. Os sistemas Stampede2 e Ranch alocados por XSEDE no Texas Advanced Computing Center davam suporte às simulações e armazenamento de dados de Bayram.

p "O XSEDE é um recurso exclusivo. Usamos principalmente o hardware XSEDE de última geração para permitir cálculos de materiais. Primeiro, Quero enfatizar que o XSEDE é um facilitador. Sem XSEDE, não poderíamos realizar esta pesquisa. Começamos com o Startup e depois com as bolsas de alocação para pesquisa. XSEDE - nos últimos dois anos - nos forneceu alocações de pesquisa avaliadas em quase US $ 20, 000 também. Uma vez implementado, the outcome of our research will save billions of dollars annually in energy savings alone, " Bayram said.

p 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, " ele disse.

p 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.

p 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."

p O estudo, "Band Alignments of Ternary Wurtzite and Zincblende III-Nitrides Investigated by Hybrid Density Functional Theory, "foi publicado no jornal ACS Omega 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.