Uma equipe liderada por engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego usou mineração de dados e ferramentas computacionais para descobrir um novo material de fósforo para LEDs brancos que é barato e fácil de fazer. Os pesquisadores construíram um protótipo de lâmpadas LED brancas usando o novo fósforo. Os protótipos exibiram melhor qualidade de cor do que muitos LEDs comerciais atualmente no mercado.

Os pesquisadores publicaram o novo fósforo em 19 de fevereiro na revista Joule .

Fósforos, que são substâncias que emitem luz, são um dos principais ingredientes para fazer LEDs brancos. São pós cristalinos que absorvem energia da luz azul ou quase ultravioleta e emitem luz no espectro visível. A combinação das diferentes cores de luz cria luz branca.

Os fósforos usados ​​em muitos LEDs brancos comerciais têm várias desvantagens, Contudo. Muitos são feitos de elementos de terras raras, que são caros, e alguns são difíceis de fabricar. Eles também produzem LEDs com qualidade de cor ruim.

Pesquisadores da UC San Diego e da Chonnam National University, na Coréia, descobriram e desenvolveram um novo fósforo que evita esses problemas. É feito principalmente de elementos abundantes na terra; pode ser feito por métodos industriais; e produz LEDs que reproduzem as cores de forma mais vívida e precisa.

O novo fósforo - feito dos elementos estrôncio, lítio, alumínio e oxigênio (uma combinação apelidada de "SLAO") - foi descoberta usando um sistema abordagem computacional de alto rendimento desenvolvida no laboratório de Shyue Ping Ong, professor de nanoengenharia da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs e principal investigador do estudo. A equipe de Ong usou supercomputadores para prever SLAO, que é o primeiro material conhecido feito dos elementos estrôncio, lítio, alumínio e oxigênio. Os cálculos também previram que este material seria estável e funcionaria bem como um fósforo LED. Por exemplo, foi previsto para absorver luz na região próxima do UV e azul e ter alta fotoluminescência, que é a capacidade do material de emitir luz quando excitado por uma fonte de luz de alta energia.

Pesquisadores do laboratório de Joanna McKittrick, professor de ciência de materiais na Escola de Engenharia Jacobs, então descobri a receita necessária para fazer o novo fósforo. Eles também confirmaram as propriedades previstas de absorção e emissão de luz do fósforo no laboratório.

Uma equipe liderada pelo professor de ciência de materiais Won Bin Im, da Universidade Nacional de Chonnam, na Coreia, otimizou a receita do fósforo para a fabricação industrial e construiu protótipos de LED branco com o novo fósforo. Eles avaliaram os LEDs usando o Índice de Renderização de Cores (CRI), uma escala que classifica de 0 a 100 como as cores precisas aparecem sob uma fonte de luz. Muitos LEDs comerciais têm valores de CRI em torno de 80. LEDs feitos com o novo fósforo produziram valores de CRI maiores que 90.

A busca computacional por um novo material

Graças à abordagem computacional desenvolvida pela equipe de Ong, A descoberta do fósforo levou apenas três meses - um curto intervalo de tempo em comparação com os anos de experimentos de tentativa e erro que normalmente leva para descobrir um novo material.

"Os cálculos são rápidos, escalável e barato. Usando computadores, podemos examinar rapidamente milhares de materiais e prever candidatos para novos materiais que ainda não foram descobertos, "Ong disse.

Ong, que lidera o Laboratório Virtual de Materiais e é membro do corpo docente do Centro de Energia e Energia Sustentável da UC San Diego, usa uma combinação de cálculos de alto rendimento e aprendizado de máquina para descobrir materiais de próxima geração para aplicações de energia, incluindo baterias, células de combustível e LEDs. Os cálculos foram realizados usando o Extreme Science and Engineering Discovery Environment da National Science Foundation no San Diego Supercomputer Center.

Neste estudo, A equipe de Ong primeiro compilou uma lista dos elementos que ocorrem com mais frequência em materiais de fósforo conhecidos. Para surpresa dos pesquisadores, eles descobriram que não há materiais conhecidos contendo uma combinação de estrôncio, lítio, alumínio e oxigênio, que são quatro elementos de fósforo comuns. Usando um algoritmo de mineração de dados, eles criaram novos candidatos a fósforo contendo esses elementos e realizaram uma série de cálculos de primeiros princípios para prever qual teria um bom desempenho como fósforo. De 918 candidatos, SLAO surgiu como o material principal. Foi previsto que fosse estável e exibisse excelentes propriedades de fotoluminescência.

"Não é apenas notável que fomos capazes de prever um novo composto de fósforo, mas um que seja estável e possa realmente ser sintetizado no laboratório, "disse Zhenbin Wang, um Ph.D. em nanoengenharia candidato no grupo de pesquisa de Ong e co-primeiro autor do estudo.

A principal limitação do fósforo é sua eficiência quântica abaixo do ideal - a eficiência com que ele converte a luz que entra em luz de uma cor diferente - de cerca de 32 por cento. Contudo, os pesquisadores observam que ele retém mais de 88 por cento de sua emissão em temperaturas normais de operação do LED. Em LEDs comerciais, geralmente há uma compensação com a qualidade da cor, Ong observou. "Mas queremos o melhor dos dois mundos. Alcançamos uma excelente qualidade de cor. Agora estamos trabalhando na otimização do material para melhorar a eficiência quântica, "Ong disse.