p Nanoestruturas com metade da largura de uma fita de DNA podem melhorar a eficiência dos diodos emissores de luz (LEDs), especialmente na "lacuna verde, "uma parte do espectro em que a eficiência do LED cai, simulações no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Departamento de Energia dos EUA têm mostrado. p Usando o supercomputador Cray XC30 da NERSC "Edison, "Os pesquisadores da Universidade de Michigan, Dylan Bayerl e Emmanouil Kioupakis, descobriram que o nitreto de índio semicondutor (InN), que normalmente emite luz infravermelha, emitirá luz verde se for reduzido para fios de 1 nanômetro de largura. Além disso, apenas variando seus tamanhos, essas nanoestruturas podem ser adaptadas para emitir diferentes cores de luz, o que poderia levar a uma iluminação branca de aparência mais natural, evitando parte da perda de eficiência que os LEDs atuais experimentam em alta potência.

p "Nosso trabalho sugere que o nitreto de índio na faixa de tamanhos de poucos nanômetros oferece uma abordagem promissora para eficiência de engenharia, emissão de luz visível em comprimentos de onda personalizados, "disse Kioupakis. Seus resultados, publicado online em fevereiro como "Emissão de luz polarizada de comprimento de onda visível com nanofios InN de pequeno diâmetro, "e será capa da edição de julho da Nano Letras .

p LEDs são dispositivos semicondutores que emitem luz quando uma corrente elétrica é aplicada. Os LEDs de hoje são criados como microchips de várias camadas. As camadas externas são dopadas com elementos que criam uma abundância de elétrons em uma camada e poucos na outra. Os elétrons ausentes são chamados de buracos. Quando o chip é energizado, os elétrons e buracos são colocados juntos, confinados à camada intermediária do poço quântico, onde são atraídos para se combinar, derramando seu excesso de energia (idealmente) emitindo um fóton de luz.

p Em baixa potência, LEDs à base de nitreto (mais comumente usados ​​em iluminação branca) são muito eficientes, convertendo a maior parte de sua energia em luz. Mas aumente a energia a níveis que podem iluminar uma sala e despencar de eficiência, o que significa que uma fração menor de eletricidade é convertida em luz. Este efeito é especialmente pronunciado em LEDs verdes, dando origem ao termo "lacuna verde".

p Os nanomateriais oferecem a perspectiva tentadora de LEDs que podem ser "cultivados" em arranjos de nanofios, pontos ou cristais. Os LEDs resultantes não só podem ser finos, flexível e de alta resolução, mas muito eficiente, também.

p "Se você reduzir as dimensões de um material para ser tão largo quanto os átomos que o compõem, então você tem confinamento quântico. Os elétrons são comprimidos em uma pequena região do espaço, aumentando a energia do bandgap, "Disse Kioupakis. Isso significa que os fótons emitidos quando os elétrons e os buracos se combinam são mais energéticos, produzindo comprimentos de onda de luz mais curtos.

p A diferença de energia entre os elétrons e buracos de um LED, chamado de bandgap, determina o comprimento de onda da luz emitida. Quanto maior o bandgap, quanto menor o comprimento de onda da luz. O bandgap para InN em massa é bastante estreito, apenas 0,6 elétron volts (eV), portanto, produz luz infravermelha. Nas nanoestruturas simuladas de InN de Bayerl e Kioupakis, o bandgap calculado aumentou, levando à previsão de que a luz verde seria produzida com uma energia de 2,3eV.

p "Se pudermos obter luz verde comprimindo os elétrons neste fio até um nanômetro, então podemos obter outras cores ajustando a largura do fio, "disse Kioupakis. Um fio mais largo deve render amarelo, laranja ou vermelho. Um fio mais estreito, índigo ou violeta.

p Isso é um bom augúrio para a criação de luz de aparência mais natural a partir dos LEDs. Ao misturar o vermelho, engenheiros de LEDs verdes e azuis podem ajustar a luz branca para mais quente, tons mais agradáveis. Este método "direto" não é prático hoje porque os LEDs verdes não são tão eficientes quanto seus equivalentes azuis e vermelhos. Em vez de, a maior parte da iluminação branca hoje vem de luz LED azul passada através de um fósforo, uma solução semelhante à iluminação fluorescente e não muito mais eficiente. Luzes LED diretas não seriam apenas mais eficientes, mas a cor da luz que eles produzem pode ser ajustada dinamicamente para se adequar à hora do dia ou à tarefa em questão.

p Usando InN puro, em vez de camadas de materiais de nitreto de liga, eliminaria um fator que contribui para a ineficiência dos LEDs verdes:flutuações de composição em nanoescala nas ligas. Demonstrou-se que isso tem um impacto significativo na eficiência do LED.

p Também, usar nanofios para fazer LEDs elimina o problema de "incompatibilidade de rede" de dispositivos em camadas. "Quando os dois materiais não têm o mesmo espaçamento entre seus átomos e você cresce um sobre o outro, isso estica a estrutura, que move os buracos e os elétrons para mais longe, tornando-os menos propensos a se recombinar e emitir luz, "disse Kioupakis, que descobriu esse efeito em pesquisas anteriores que também utilizaram recursos do NERSC. "Em um nanofio feito de um único material, você não tem essa incompatibilidade e, portanto, pode obter melhor eficiência, " ele explicou.

p Os pesquisadores também suspeitam que o forte confinamento quântico do nanofio contribui para a eficiência, comprimindo os buracos e os elétrons mais próximos, um assunto para pesquisas futuras. "Aproximar os elétrons e os buracos na nanoestrutura aumenta sua atração mútua e aumenta a probabilidade de que eles se recombinem e emitam luz." Kioupakis disse.

p Embora este resultado aponte o caminho para uma avenida promissora de exploração, os pesquisadores enfatizam que esses pequenos nanofios são difíceis de sintetizar. Contudo, eles suspeitam que suas descobertas podem ser generalizadas para outros tipos de nanoestruturas, como nanocristais InN incorporados, que já foram sintetizados com sucesso na faixa de poucos nanômetros.

p O mais novo supercomputador carro-chefe do NERSC (chamado "Edison" em homenagem ao inventor americano Thomas Edison) foi fundamental em sua pesquisa, disse Bayerl. Os milhares de núcleos de computação do sistema e a alta memória por nó permitiram que a Bayerl executasse cálculos maciçamente paralelos com muitos terabytes de dados armazenados na RAM, o que tornou a simulação de nanofios InN viável. "Também nos beneficiamos muito com o suporte especializado da equipe do NERSC, "disse Bayerl. Burlen Loring do Grupo de Análise do NERSC criou visualizações para o estudo, incluindo a imagem da capa da revista. Os pesquisadores também usaram o código de código aberto BerkeleyGW, desenvolvido por Jack Deslippe da NERSC.