A mistura de cores é o processo de combinação de duas ou mais cores:vermelho e verde formam o amarelo, azul e vermelho formam o roxo, vermelho e verde e o azul formam o branco. Este processo de mistura de cores é a base para o futuro da iluminação de estado sólido. Embora atualmente a luz branca seja obtida por conversão descendente de fósforo, a mistura de cores do LED tem, na verdade, uma eficiência máxima teórica mais alta, o que é necessário para atingir as metas de eficiência energética do DOE para 2035.



Apesar da eficiência potencial das fontes de LED com cores misturadas, existe um desafio significativo:o verde. A “lacuna verde” é descrita como a falta de LEDs verdes adequados. Os LEDs verdes atuais são feitos de nitreto hexagonal III de última geração, mas atingem apenas um terço das metas de eficiência estabelecidas no roteiro do DOE 2035.

Em um novo estudo, pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign encontraram um caminho potencial para preencher a lacuna verde e relatar uma camada ativa de nitreto III cúbico emissora de verde com 32% de eficiência quântica interna (IQE), que é mais do que Eficiência 6 vezes maior do que a relatada na literatura para camadas ativas cúbicas convencionais.

"O objetivo final é triplicar a eficiência dos atuais diodos emissores de luz branca. E para isso, precisamos preencher a lacuna verde no espectro, o que não é uma tarefa fácil. É preciso inovação. E mostramos a inovação a partir dos materiais lado usando nitretos cúbicos", diz o professor de engenharia elétrica e de computação Can Bayram, que liderou este trabalho ao lado do estudante de graduação Jaekwon Lee.

Os resultados desta pesquisa foram publicados recentemente em Applied Physics Letters como artigo de capa de edição.

Hoje, os LEDs brancos mais eficientes usam diodos emissores de luz azul com um revestimento de fósforo de terras raras que converte a luz azul em amarela, verde e/ou vermelha, o que permite a iluminação branca. Este processo é chamado de conversão descendente de fósforo. Os fósforos são materiais luminescentes que podem absorver e converter fótons de alta energia (como a luz azul) em luz de menor energia/comprimento de onda mais longo (como verde, amarelo e vermelho, respectivamente).

Este processo de conversão descendente de fósforo, no entanto, tem limitações. O processo de conversão descendente é inerentemente ineficiente porque os fótons de alta energia devem perder energia (na forma de calor) para serem convertidos em fótons de outras energias. Atualmente, os LEDs brancos usados ​​no SSL geram sete vezes mais calor do que a saída de luz. Além disso, os fósforos são quimicamente instáveis ​​e acrescentam custos significativos de matéria-prima e embalagem (em cerca de 20%) ao dispositivo LED.

Apesar do aumento na eficiência do LED azul nos últimos anos, o SSL usando fósforos tem apenas uma eficácia luminosa máxima teórica de 255 lúmens/watt (lm/W), enquanto a mistura de cores do LED pode atingir uma eficácia luminosa máxima teórica de 408 lm/W.

No entanto, muitas abordagens estabelecidas para LEDs verdes sofrem com "queda de eficiência" em altas densidades de corrente. Alcançar emissões verdes de alta eficiência tem sido difícil com o tradicional nitreto hexagonal III, mesmo com o aumento do teor de índio – um elemento caro necessário para emissões verdes – o que leva a maiores densidades de defeitos e queda de eficiência. Isto representa um desafio fundamental para a adoção generalizada de SSL.

"Encontramos uma maneira de sintetizar nitreto de gálio cúbico monofásico de baixa densidade de defeitos e alta qualidade usando uma técnica de captura de fase de proporção de aspecto que o grupo Bayram inventou", explica Lee. No aprisionamento de fase de proporção de aspecto, os defeitos, bem como a fase hexagonal indesejável, são "presos" dentro das ranhuras, de modo que a superfície da camada ativa é um material de fase cúbica perfeito. A fase cúbica e hexagonal refere-se à forma como os átomos dos materiais se organizam.

Aqui, os pesquisadores desenvolveram um sistema cúbico de nitreto III que pode permitir LEDs verdes altamente eficientes e sem queda, com um IQE de 32% e apenas 16% de conteúdo de índio. Este é o IQE mais alto relatado para poços cúbicos com aproximadamente 30% menos índio do que a quantidade necessária em um poço hexagonal tradicional.

Bayram diz que a lacuna verde pode ser fechada usando nitreto III cúbico, já que as vantagens desses materiais para SSL estão bem documentadas tanto teórica quanto experimentalmente. As eficiências reais dos dispositivos cúbicos foram prejudicadas pela qualidade e pureza da fase cúbica, mas a nova técnica de captura de fase de proporção de aspecto usada nesta pesquisa permite nitreto III cúbico puro de alta qualidade.

Mais informações: J. Lee et al, Poço quântico cúbico de emissão verde GaN/In0.16Ga0.84N/GaN com 32% de eficiência quântica interna à temperatura ambiente, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0179477
Informações do diário: Cartas de Física Aplicada

Fornecido pela Faculdade de Engenharia Grainger da Universidade de Illinois