快捷搜索:  www.ymwears.cn

明亮的led晨光

LED灯越来越多地点亮了世界。根据国际能源署(International Energy Agency)的数据,家用照明领域的全球LED销量已经从2013年的5%上升到2018年的40%,其他行业也呈现出这种趋势。无与伦比的能源效率和坚固性使LED灯深受消费者欢迎。

科学家们目前正在使用超级计算机来了解新材料的晶体结构,这种材料可以使LED照明变得更亮,更便宜。

一种有望用于下一代固态照明的LED材料发现了新的特性。2020年1月发表在化学杂志ACS Omega上的一项研究显示,有证据表明,iii立方氮化物在光子和电子器件中的前景更加光明。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的电子与计算机工程助理教授、该研究的合著者can Bayram说:“主要发现是下一代led可以、应该而且将会做得更好。”他研究iii立方氮化物的动机源于这样一个事实,即当今的LED在高注入电流通过器件的条件下会失去很大一部分效率,而这对于一般照明是必要的。

Bayram的实验室在现实生活和模拟中一个原子一个原子地构建新发现的晶体,以便将实验与理论联系起来。“我们需要可扩展的新材料用于下一代照明,”Bayram说。“及时、精确地搜索这类材料需要巨大的计算能力。”

Bayram说:“在这项研究中,我们正在探索三相氮化铝镓铟材料的基本性质。”

到目前为止,基于氮化铟镓的绿色LED的研究一直局限于自然发生的六相器件。然而,它们在功率、效率、速度和带宽上都是有限的,尤其是在发射绿色信号的时候。这个问题促进了我们的研究。我们发现立方相材料减少必要的铟含量为绿色发射的10%,因为更低的带隙。同时,它们的零极化使辐射重组动力学改变了四倍。”

Bayram描述了“经过实验验证”的计算模型。他说:“计算出的基本材料特性是如此的精确,以至于计算结果几乎与实验结果一对一的吻合。”

他解释说,像氮化镓这样的化合物半导体很难建模,因为它们是化合物,不像硅或锗这样的元素半导体。模拟化合物半导体的合金,如氮化铝镓,是进一步的挑战,因为,正如俗话所说,一切都是关于位置,位置,位置。相对原子位置很重要。

在晶体学类的单位细胞示意图中,Al和Ga原子是可互换的。但在我们的计算研究中并非如此。”Bayram解释道。这是因为在模拟整个半导体材料的小体积单元时,每个原子及其相对位置都很重要。

“我们模拟单元以节省计算资源,并使用适当的边界条件来推断整个材料的性质。因此,我们必须模拟所有可能的单位细胞组合,并据此进行推断——这种方法给出了与实验结果最佳的计算匹配,”Bayram说。利用这种方法,他们进一步探索了新的虽然不是通过实验实现的材料。

为了克服计算上的挑战,Bayram和Tsai申请并获得了极限科学与工程发现环境(XSEDE)的超级计算机拨款。XSEDE是一个由美国国家科学基金会资助的单一虚拟系统,科学家可以使用它交互式地共享计算资源、数据和专业知识。德克萨斯州高级计算中心的xsede -allocate Stampede2和Ranch系统支持Bayram的模拟和数据存储。

“XSEDE是一个独特的资源。我们主要使用最先进的XSEDE硬件来实现物质计算。首先,我想强调XSEDE是一个使能者。没有XSEDE,我们无法执行这项研究。我们先启动,然后是研究拨款。在过去的两年里,xsei也为我们提供了价值近20,000美元的研究拨款。一旦实施,我们的研究成果将每年仅在节能方面就节省数十亿美元。”Bayram说。

Bayram强调,非科学家可以从这种LED原型材料的基础研究中获益。“我们都需要照明,现在比以往任何时候都需要。我们不仅需要照明来观看。我们需要它来做园艺。我们需要它来交流。我们需要它来治病。一般照明的效率提高1%,每年将节省60亿美元。仅从财务角度来看,这就是100万倍的投资回报。”

对于任何半导体器件,科学家都努力了解其中的杂质。Bayram研究的下一个阶段是了解杂质如何影响新材料,并探索如何有效地涂敷新材料。通过寻找最有希望的元素周期表基团,他说他们正在寻找最好的元素掺杂剂,这将最终极大地帮助实验设备的实现。

Bayram说:“超级计算机是超级乘数。他们对主流产业进行了大量的基础研究。成功的一个衡量标准是研究结果承诺了一种独特的解决方案。对我们的计算任务一次性投资2万美元,每年至少可以节省60亿美元。如果没有,这意味着研究结果将排除进一步研究的材料,这种早期投资将帮助该行业节省数百万美元和研究时间。我们最初的发现非常有希望,无论结果如何,这项研究最终都将造福社会。”

这项研究,“用杂化密度泛函理论研究三元纤锌矿和锌闪锌矿iii氮化物的带排列”,发表在ACS Omega杂志2020年1月30日。这项研究的共同作者是蔡怡嘉和坎拜拉姆,他们来自伊利诺伊大学香槟分校电子与计算机工程系。这项工作得到了美国国家科学基金会教师早期职业发展(Career)项目的支持,奖励号为NSF-ECCS-16-52871。作者确认了极端科学与工程发现环境(XSEDE)分配的计算资源,编号为TG-DMR180050和TG-DMR180075。

您可能还会对下面的文章感兴趣: