Diodos emissores de luz - ou LEDs, como são comumente conhecidos - vêm substituindo lentamente as lâmpadas incandescentes em aplicações que variam de lanternas traseiras de carros a indicadores eletrônicos desde sua invenção na década de 1960.

Evitando o filamento de uma lâmpada incandescente e o vapor de mercúrio de uma lâmpada fluorescente, Em vez disso, os LEDs geram luz aplicando uma voltagem em um semicondutor. Os elétrons se combinam com buracos (lugares na estrutura cristalina onde um elétron poderia, mas não existe, tornando-os carregados positivamente), levando à emissão de fótons - partículas de luz.

A maioria dos LEDs usa semicondutores feitos de um material chamado nitreto de gálio (GaN). Esses LEDs GaN são confiáveis ​​e seguros, mas tem a desvantagem de se tornar rapidamente ineficiente à medida que a tensão aumenta, um fenômeno denominado "queda da eficiência".

"Mais de 10 por cento da eletricidade gerada nos EUA é usada para iluminação nos setores comercial e residencial. Uma mudança para o uso generalizado de iluminação LED levaria a uma economia de energia dramática, mas a queda da eficiência é um grande obstáculo, "diz Marco Bernardi, professor assistente de física aplicada e ciência dos materiais na Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas da Caltech e autor correspondente de um artigo recente sobre a fonte de queda da eficiência, publicado na Nano Letters.

A queda de eficiência ocorre quando elétrons excitados ultrapassam poços quânticos de nanômetros de profundidade em GaN. Os poços são projetados para prender os elétrons em combinação com buracos. Quando os elétrons são muito energéticos para serem capturados pelos poços, eles vazam de dispositivos LED sem emitir qualquer luz.

"Vários modelos foram propostos para explicar esse vazamento de elétrons, mas eles tendem a se concentrar em análises qualitativas que usam a intuição para justificar evidências experimentais, "Bernardi diz.

Usando novos métodos computacionais desenvolvidos na Caltech, uma equipe liderada por Bernardi estudou GaN em um nível atômico e como as vibrações da rede - o "zumbido" de fundo dos movimentos térmicos atômicos em um sólido - afetam os elétrons no material. Era sabido que esse zumbido drena energia tanto dos elétrons quanto dos buracos. Contudo, Bernardi descobriu que o dreno ocorre mais rápido para buracos do que para elétrons - uma incompatibilidade que permite que os elétrons ultrapassem os poços quânticos, escapando do GaN sem nunca se combinar com orifícios e emitir luz.

"Nosso trabalho mostra pela primeira vez que a interação sempre presente entre elétrons com vibrações de rede pode, por si próprio, explicar por que os elétrons excitados podem vazar da camada ativa e ser responsáveis ​​pelas ineficiências nos LEDs de GaN, "Bernardi diz.

Bernardi e seus colegas ainda não terminaram de investigar a queda no GaN. Próximo, eles planejam estudar como a queda depende da temperatura e de outras propriedades do material.

O estudo é intitulado "Ultrafast Hot Carrier Dynamics in GaN e seu impacto na queda da eficiência."