Люминофоры — это веществами, которые излучают свет. Представляют собой кристаллические порошки, которые поглощают энергию синего или почти ультрафиолетового света и излучают свет в видимом спектре. Сочетание разноцветного света создает белый свет. Они являются одним из ключевых ингредиентов для создания белых светодиодов.
Однако люминофоры, используемые во многих коммерческих белых светодиодах, имеют ряд недостатков. Многие сделаны из редкоземельных элементов, которые дороги, а некоторые сложны в изготовлении или с низким качеством цвета.
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Национального университета Чоннам в Корее обнаружили и разработали новый люминофор, который позволяет избежать этих проблем. Он состоит в основном из богатых землей элементов (стронций, литий, алюминий и кислород). Эти светодиоды отображают цвета более ярко и точно и могут производиться в промышленных масштабах.
Новый люминофор, Sr2LiAlO4 ( SLAO), был обнаружен с использованием систематического высокопроизводительного вычислительного подхода, разработанного в лаборатории Шуя Пин Оном, профессором наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего. Команда Она использовала суперкомпьютеры для прогнозирования SLAO, который является первым известным материалом, изготовленным из элементов стронция, лития, алюминия и кислорода. Расчеты также определяют, что этот материал будет стабильным и будет работать хорошо, как светодиодный люминофор. Например, было спрогнозировано, что он поглощает свет в ультрафиолетовой и синей областях, и обладает высокой фотолюминесценцией, которая является способностью материала излучать свет при возбуждении источником света с более высокой энергией.Рецепт для его получения разработала лаборатория профессора Джоанны МакКиттрик из Калифорнийского университета. Они же подтвердили спрогнозированные светопоглощающие и излучающие свойства нового люминофора.
Команда во главе с профессором материаловедения Вон Бин Им из Национального университета Чоннам в Корее оптимизировала рецепт люминофора для промышленного производства и создала прототипы из белого светодиода с новым люминофором. Они оценили светодиоды, используя индекс цветопередачи (CRI). Это шкала, которая оценивает точность отображения цветов от источника света от 0 до 100. Многие коммерческие светодиоды имеют значения CRI около 80. Светодиоды, изготовленные с новым люминофором, дали значения CRI, превышающие 90.
Пример цветопередачи с разным индексом
Благодаря вычислительному подходу, разработанному командой Она, обнаружение люминофора заняло всего три месяца — короткий промежуток времени по сравнению с годами экспериментов методом проб и ошибок, которые обычно требуются для обнаружения нового материала.
В своем исследовании команда Она сначала составила список наиболее часто встречающихся элементов в известных люминофорных материалах. К удивлению исследователей, они обнаружили, что нет никаких известных материалов, содержащих комбинацию стронция, лития, алюминия и кислорода, которые являются четырьмя распространенными элементами люминофора. Используя алгоритм интеллектуального анализа данных, они создали новые кандидаты люминофоров, содержащие эти элементы, и выполнили серию первичных расчетов, чтобы спрогнозировать, какой из них будет хорошо работать в качестве люминофора. Из 918 кандидатов SLAO стал ведущим материалом. Он стабилен и демонстрирует отличные фотолюминесцентные свойства.
Основным ограничением люминофора является его неидеальная квантовая эффективность — насколько эффективно он преобразует входящий свет в свет другого цвета — около 32 %. Однако исследователи отмечают, что он сохраняет более 88 % своего излучения при типичных рабочих температурах светодиодов. Теперь задача ученых оптимизировать материал для повышения квантовой эффективности.