Los fósforos, que son sustancias que emiten luz, son uno de los ingredientes clave para fabricar LED blancos. Son polvos cristalinos que absorben energía de la luz azul o casi UV y emiten luz en el espectro visible. La combinación de la luz de diferentes colores crea luz blanca. Sin embargo, los fósforos utilizados en muchos LED blancos comerciales tienen varias desventajas. Muchos están hechos de elementos de tierras raras, que son caros, y algunos son difíciles de fabricar. También producen LED con mala calidad de color.

Investigadores de UC San Diego y la Universidad Nacional de Chonnam en Corea descubrieron y desarrollaron un nuevo Fósforo que evita estos problemas.

Está hecho principalmente de elementos abundantes en la tierra; se puede hacer usando métodos industriales; y produce LED que renderizan los colores de forma más vívida y precisa.

El nuevo fósforo - hecho de los elementos de estroncio, litio, aluminio y oxígeno (una combinación llamada "SLAO") - fue descubierto usando un enfoque computacional sistemático de alto rendimiento desarrollado en el laboratorio de Shyue Ping Ong, un profesor de nanoingeniería en la Escuela de Ingeniería UC San Diego Jacobs y el principal investigador del estudio. El equipo de Ong utilizó supercomputadoras para predecir SLAO, que es el primer material conocido compuesto de los elementos estroncio, litio, aluminio y oxígeno.

Los cálculos también predijeron que este material sería estable y funcionaría bien como un fósforo LED. Por ejemplo, se predijo que absorbería luz en la región cercana a los rayos UV y azul y tendría alta fotoluminiscencia, que es la capacidad del material para emitir luz cuando se excita con una fuente de luz de mayor energía.

Los investigadores en el laboratorio de Joanna McKittrick, un profesor de ciencias de materiales en la Escuela de Ingeniería Jacobs, luego descubrieron la receta necesaria para hacer el nuevo fósforo. También confirmaron las propiedades de emisión y emisión de luz pronosticadas por el fósforo en el laboratorio.

Un equipo liderado por el profesor de ciencia de materiales Won Bin Im en la Universidad Nacional de Chonnam en Corea optimizó la receta de fósforo para la fabricación industrial y construyó prototipos LED blancos con el nuevo fósforo. Evaluaron los LED con el índice de reproducción cromática , una escala que clasifica de 0 a 100 la precisión con que aparecen los colores debajo de una fuente de luz. Muchos LED comerciales tienen valores de CRI en torno a 80. Los LED fabricados con el nuevo fósforo arrojaron valores de CRI superiores a 90.

La búsqueda computacional de un nuevo material

Gracias al enfoque computacional desarrollado por el equipo de Ong, el descubrimiento del fósforo tomó solo tres meses, un corto período de tiempo en comparación con los años de experimentos de prueba y error que normalmente lleva descubrir un nuevo material.

"Los cálculos son rápidos, escalables y económicos. Al usar computadoras, podemos examinar rápidamente miles de materiales y predecir candidatos para nuevos materiales que aún no se han descubierto", dijo Ong.

Ong, quien dirige el Laboratorio Virtual de Materiales y es miembro de la facultad del Centro de Energía y Energía Sostenible de UC San Diego, utiliza una combinación de cálculos de alto rendimiento y aprendizaje automático para descubrir materiales de última generación para aplicaciones de energía, como baterías y combustible. células y LED. Los cálculos se realizaron utilizando el Entorno de Descubrimiento de Ingeniería y Ciencias Extremas de la Fundación Nacional de Ciencia en el Centro de Supercomputación de San Diego.

En este estudio, el equipo de Ong primero compiló una lista de los elementos que ocurren con mayor frecuencia en los materiales de fósforo conocidos. Para sorpresa de los investigadores, descubrieron que no hay materiales conocidos que contengan una combinación de estroncio, litio, aluminio y oxígeno, que son cuatro elementos de fósforo comunes. Usando un algoritmo de minería de datos, crearon nuevos candidatos de fósforo que contenían estos elementos y realizaron una serie de cálculos de primeros principios para predecir cuál funcionaría bien como fósforo. De 918 candidatos, SLAO surgió como el material principal. Se predijo que sería estable y exhibiría excelentes propiedades de fotoluminiscencia.

"No solo es notable que pudimos predecir un nuevo compuesto de fósforo, sino que es estable y puede sintetizarse en el laboratorio", dijo Zhenbin Wang, un doctorado en nanotecnología.

candidato en el grupo de investigación de Ong y primer autor del estudio.

La principal limitación del fósforo es su eficiencia cuántica inferior a la ideal (qué tan eficientemente convierte la luz entrante en luz de un color diferente) en aproximadamente 32 por ciento. Sin embargo, los investigadores observan que retiene más del 88 por ciento de su emisión a temperaturas de funcionamiento LED típicas. En los LED comerciales, generalmente hay una compensación con la calidad del color, señaló Ong. "Pero queremos lo mejor de ambos mundos. Hemos logrado una excelente calidad de color. Ahora estamos trabajando en la optimización del material para mejorar la eficiencia cuántica", dijo Ong.

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