Pesquisadores do Grupo de Pesquisa Interdisciplinar (IRG) de Sistemas Eletrônicos de Baixa Energia (LEES) na Aliança para Pesquisa e Tecnologia de Singapura-MIT (SMART), Empresa de pesquisa do MIT em Cingapura, juntamente com o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e a Universidade Nacional de Cingapura (NUS) encontraram um método para quantificar a distribuição das flutuações composicionais nos poços quânticos (QWs) 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 baixos custos. A cor da emissão do LED pode ser alterada variando a concentração de índio no composto InGaN, dando aos LEDs InGaN o potencial de cobrir todo o espectro visível. LEDs InGaN com quantidades relativamente baixas de índio em comparação com o gálio, como o azul, verde, e LEDs ciano, tiveram um sucesso comercial significativo para a comunicação, indústria e aplicações automotivas. Contudo, LEDs com maiores concentrações de índio, como os LEDs vermelho e âmbar, sofrem com uma queda na eficiência com o aumento da quantidade de índio.

Atualmente, LEDs vermelho e âmbar são feitos com o material de fosfeto de alumínio, índio e gálio (AlINGaP) em vez de InGaN devido ao baixo 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 o desenvolvimento de LEDs InGaN cobrindo todo o espectro visível, o que reduziria significativamente os custos de produção.

Em um artigo intitulado "Desvendando a origem das flutuações composicionais em diodos emissores de luz InGaN", publicado recentemente na prestigiosa revista Materiais de revisão física , 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 o co-autor do artigo, Professora Silvija Gradecak do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da NUS e Pesquisadora Principal da SMART LEES. “É importante entender essa queda de eficiência para criar soluções que sejam capazes de superá-la. Para isso, nós projetamos um método que é capaz de detectar e estudar as flutuações composicionais nos QWs do InGaN para determinar seu papel na queda de eficiência. "

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

Tara Mishra, autor principal do artigo e SMART Ph.D. O companheiro disse, "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 de ciência de materiais, onde as flutuações composicionais atomísticas desempenham um papel importante no desempenho do material, "disse o Dr. Pieremanuele Canepa, co-autor do artigo e investigador principal da SMART LEES e também professor assistente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, e Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da NUS. "A compreensão da distribuição atômica do 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, 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, pavimentando o caminho para pesquisas futuras para determinar o papel das flutuações composicionais na nova geração de LEDs InGaN e estratégias de projeto para prevenir a degradação desses dispositivos.