計算機幫助發現製備新型LED

在紫外線照射下，根據混入不同的化學活化劑，SLAO熒光粉發出綠黃色或藍色光線。圖片來源：David Baillot/加州大學聖地亞哥雅可布工程學院

加利福尼亞大學聖地亞哥分校的工程師領導的一個研究小組利用數據挖掘和計算工具發現了一種新的熒光材料，這種發光材料價格低廉，製作容易。研究人員用這種新型熒光粉製作了白光LED燈泡雛形。與目前市面上的許多商業LED相比，這種雛形具有更好的色彩質量。

研究人員於2月19日在《Joule》上發表了他們最新的研究成果。

熒光粉是一種發光的物質，是製造白光LED的關鍵材料之一。它們是一種可以從藍色或近紫外光中吸收能量，並在可見光譜中發光的晶體粉末。不同顏色的光組合產生白光。

然而，在許多商業白光LED中使用的熒光粉有幾個缺點。它們中許多是由稀土元素構成的，這些元素很貴，並且有些元素很難製造。它們製造的發光二極體顏色質量較差。

加州大學聖地亞哥分校和韓國國立全南大學的研究人員發現並開發了一種可避免上述問題的新型熒光粉材料。它主要由地球豐富的元素組成，可以用工業方法製造，同時能產生更生動更準確的發光二極體。

新的熒光粉由元素鍶、鋰、鋁和氧（這個組合稱為「SLAO」）組成。它是在加州大學聖地亞哥分校雅可布工程學院納米工程學教授同時也是這項研究的首席研究者Shyue Ping Ong的實驗室被發現的，Shyue Ping Ong通過使用系統的、高通量計算方法發現了這種熒光粉。Ong的團隊利用超級計算機來預測「SLAO」，這是第一個已知的由元素鍶、鋰、鋁和氧材料製成的材料。通過計算還預測到這種材料作為LED熒光粉可以得到更穩定，性能更加良好的LED發光體。例如，它被預測可吸收近紫外和藍色區域的光，並且具有高的光致發光。光致發光是高能光源激發時發光材料的發光能力。

Joanna McKittrick實驗室的研究人員，雅可布工程學院的材料科學教授想出了製作這種新型熒光粉所需的配方。他們還證實了這種熒光粉在實驗室中的光吸收和發射特性。

由韓國國立全南大學的材料科學教授Won Bin Im領導的一個小組優化了工業製造的熒光粉配方，並用新的熒光粉構建了白光LED原型。他們用顏色渲染指數（CRI）對LED進行了評價，這種比例從0到100不等來顯示顏色在光源下的準確程度。許多商業LED的CRI值在80左右。用這種熒光粉製成的LED產生的CRI值大於90。

一種新材料的計算探索

多虧了Ong團隊開發的計算方法，熒光粉的發現只花了三個月的時間，與發現新材料通常需要的多年試驗和錯誤實驗相比，這個時間段短。

Ong說：「計算速度快，可擴展，同時價格便宜。使用計算機，我們可以快速地篩選成千上萬的材料，並準確預測尚未發現的新材料的候選者。」

領導材料虛擬實驗室的Ong是加州大學聖地亞哥可持續能源與能源中心的一名教員，他利用高通量計算和機器學習相結合的方法，探索下一代能源應用的材料，包括電池、燃料電池和發光二極體。計算是由國家科學基金會的極端科學和工程發現環境在聖地亞哥超級計算機中心進行的。

在這項研究中，Ong的研究小組首先編製了已知熒光材料中最常見的元素列表。令研究人員感到驚訝的是，他們發現沒有已知的含有鍶，鋰，鋁和氧的材料，這是四種常見的熒光元素的組合。使用數據挖掘演算法，他們創建了包含這些元素的新的磷光體候選體，並進行了一系列的第一性原理計算，預測哪一種磷光體能起到更好的作用。918種候選材料中，「SLAO」成為領先的材料。據預測，它性質穩定並表現出優異的光致發光性能。

Ong研究小組的博士，研究的第一作者Zhenbin Wang說：「我們不僅能夠預測一種新的熒光化合物，而且還能夠穩定地在實驗室中合成。」

熒光粉的主要限制是它不太理想的量子效率（即如何有效地將入射光轉換成不同顏色的光），大約只有32%。但是，研究人員注意到在典型的LED工作溫度下，它保留了超過88%的排放量。Ong指出在商業LED中，通常會與顏色質量進行權衡。「但我們想要兩全其美。我們取得了卓越的色彩質量。現在我們正致力於優化材料以提高量子效率。」Ong說。

原文由sciencedaily網站提供，由材料科技在線匯總整理，原文題目為Computers aid discovery of new, inexpensive material to make LEDs with high color quality。

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