计算机帮助发现制备新型LED

在紫外线照射下，根据混入不同的化学活化剂，SLAO荧光粉发出绿黄色或蓝色光线。图片来源：David Baillot/加州大学圣地亚哥雅可布工程学院

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师领导的一个研究小组利用数据挖掘和计算工具发现了一种新的荧光材料，这种发光材料价格低廉，制作容易。研究人员用这种新型荧光粉制作了白光LED灯泡雏形。与目前市面上的许多商业LED相比，这种雏形具有更好的色彩质量。

研究人员于2月19日在《Joule》上发表了他们最新的研究成果。

荧光粉是一种发光的物质，是制造白光LED的关键材料之一。它们是一种可以从蓝色或近紫外光中吸收能量，并在可见光谱中发光的晶体粉末。不同颜色的光组合产生白光。

然而，在许多商业白光LED中使用的荧光粉有几个缺点。它们中许多是由稀土元素构成的，这些元素很贵，并且有些元素很难制造。它们制造的发光二极管颜色质量较差。

加州大学圣地亚哥分校和韩国国立全南大学的研究人员发现并开发了一种可避免上述问题的新型荧光粉材料。它主要由地球丰富的元素组成，可以用工业方法制造，同时能产生更生动更准确的发光二极管。

新的荧光粉由元素锶、锂、铝和氧（这个组合称为“SLAO”）组成。它是在加州大学圣地亚哥分校雅可布工程学院纳米工程学教授同时也是这项研究的首席研究者Shyue Ping Ong的实验室被发现的，Shyue Ping Ong通过使用系统的、高通量计算方法发现了这种荧光粉。Ong的团队利用超级计算机来预测“SLAO”，这是第一个已知的由元素锶、锂、铝和氧材料制成的材料。通过计算还预测到这种材料作为LED荧光粉可以得到更稳定，性能更加良好的LED发光体。例如，它被预测可吸收近紫外和蓝色区域的光，并且具有高的光致发光。光致发光是高能光源激发时发光材料的发光能力。

Joanna McKittrick实验室的研究人员，雅可布工程学院的材料科学教授想出了制作这种新型荧光粉所需的配方。他们还证实了这种荧光粉在实验室中的光吸收和发射特性。

由韩国国立全南大学的材料科学教授Won Bin Im领导的一个小组优化了工业制造的荧光粉配方，并用新的荧光粉构建了白光LED原型。他们用颜色渲染指数（CRI）对LED进行了评价，这种比例从0到100不等来显示颜色在光源下的准确程度。许多商业LED的CRI值在80左右。用这种荧光粉制成的LED产生的CRI值大于90。

一种新材料的计算探索

多亏了Ong团队开发的计算方法，荧光粉的发现只花了三个月的时间，与发现新材料通常需要的多年试验和错误实验相比，这个时间段短。

Ong说：“计算速度快，可扩展，同时价格便宜。使用计算机，我们可以快速地筛选成千上万的材料，并准确预测尚未发现的新材料的候选者。”

领导材料虚拟实验室的Ong是加州大学圣地亚哥可持续能源与能源中心的一名教员，他利用高通量计算和机器学习相结合的方法，探索下一代能源应用的材料，包括电池、燃料电池和发光二极管。计算是由国家科学基金会的极端科学和工程发现环境在圣地亚哥超级计算机中心进行的。

在这项研究中，Ong的研究小组首先编制了已知荧光材料中最常见的元素列表。令研究人员感到惊讶的是，他们发现没有已知的含有锶，锂，铝和氧的材料，这是四种常见的荧光元素的组合。使用数据挖掘算法，他们创建了包含这些元素的新的磷光体候选体，并进行了一系列的第一性原理计算，预测哪一种磷光体能起到更好的作用。918种候选材料中，“SLAO”成为领先的材料。据预测，它性质稳定并表现出优异的光致发光性能。

Ong研究小组的博士，研究的第一作者Zhenbin Wang说：“我们不仅能够预测一种新的荧光化合物，而且还能够稳定地在实验室中合成。”

荧光粉的主要限制是它不太理想的量子效率（即如何有效地将入射光转换成不同颜色的光），大约只有32%。但是，研究人员注意到在典型的LED工作温度下，它保留了超过88%的排放量。Ong指出在商业LED中，通常会与颜色质量进行权衡。“但我们想要两全其美。我们取得了卓越的色彩质量。现在我们正致力于优化材料以提高量子效率。”Ong说。

原文由sciencedaily网站提供，由材料科技在线汇总整理

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