KTU ir JAV mokslininkų tyrimas atskleidė, kaip padidinti šviesos diodų efektyvumą

Kauno technologijos universiteto Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (KTU MGMF) profesorius Audrius Alkauskas svariai prisidėjo prie reikšmingo šviesos diodų efektyvumo tyrimo, vykdyto kartu su JAV mokslininkais. Fizikos mokslų daktaras A. Alkauskas, kartu su Kalifornijos universiteto tyrėjais, šiuolaikiniais teoriniais metodais nustatė šviesos diodų (LED) atominėje struktūroje esančius defektus, darančius įtaką šių prietaisų našumo kritimui.

Bendradarbiavimas su JAV mokslininkais prasidėjo dar 2011-iais, kai tyrėjas pradėjo dirbti Kalifornijos universitete, Santa Barbaroje. Po trejų metų A. Alkauskui grįžus į Lietuvą bendradarbiavimas tęsėsi ir toliau. „Šis bendras darbas su Amerikos tyrėjais – naudingas abiems pusėms, nes vieni kitus papildome skirtingomis kompetencijomis. Aš turiu labai gerą teorinį pasirengimą ir gilias kietojo kūno fizikos žinias, o mano kolegos JAV – didelę patirtį medžiagų moksle“, – teigė A. Alkauskas, pažymėdamas, kad sėkmingai prasidėjęs bendradarbiavimas bus tęsiamas ir ateityje.

Galės pagerinti prietaisų našumą

Pasak tyrimo vadovo Chriso Van de Walle iš Kalifornijos universiteto, tyrėjų naudojami nauji teoriniai metodai gali įvertinti, kokie konkretūs defektai yra LED sudarančiose medžiagose ir kaip galima pagerinti šių labai svarbių prietaisų našumą.

JAV tyrėjui antrina ir A. Alkauskas, kuris pabrėžia, kad šiuolaikiniai puslaidininkiai yra sudėtingos medžiagos. „Ypač sunku eksperimentiškai charakterizuoti gardelės defektus, kurių net ir labai maža koncentracija gali ženkliai pakeisti medžiagos savybes. Suprasti šiuos defektus padeda teorija ir kompiuterinis modeliavimas, o tai ir buvo šio darbo esmė“, – sakė KTU mokslininkas.

Profesorius C. Van de Walle taip pat pažymi, kad puslaidininkiniai šviestukai iš esmės yra patys efektyviausi žinomi šviesos šaltiniai, tačiau kol kas jų našumas gerokai mažesnis nei leistina teorinė riba.

„LED'uose elektronai yra įleidžiami iš vienos prietaiso pusės, skylės – iš kitos. Šviesa atsiranda, kai elektronas, keliaujantis per kristalą (šiuo atveju galio nitrido pagrindu pagamintą medžiagą) susitinka skylutę (elektronų nebuvimą). Elektronui perėjus į žemesnės energijos būseną, išspinduliuojamas fotonas – šviesos kvantas“, – toliau procesą aiškina C. Van de Walle.

Kartais, kai krūvininkai susitinka, šviesa negeneruojama. Taip atsitinka dėl vadinamosios nespindulinės Shockley-Read- Hall (SRH) rekombinacijos (pavadintos pirmąkart ją aprašiusių mokslininkų vardais, – red. past.). Pasak tyrėjų, krūvininkai yra pagaunami gardelės defektuose, kur jie „rekombinuoja“, bet neskleidžia šviesos.

Nustatyti konkretūs defektai yra galio vakansijų kompleksai su deguonimi ir vandeniliu. „Šie defektai anksčiau buvo stebėti nitridiniuose puslaidininkiuose, tačiau iki šiol jų neigiamas poveikis nebuvo suprantamas“, – paaiškino pagrindinis darbo autorius Cyrusas Dreyeris, atlikęs daugumą teorinių skaičiavimų.

Anot C. Van de Walle, šių tyrimų sėkmę lėmė du dalykai: intuicija apie taškinius defektus, kurią mokslininkų grupei pavyko sukaupti per daugelį metų, ir naujausių teorinių metodų panaudojimas.

Leis auginti aukštesnės kokybės kristalus

JAV mokslininkas taip pat pabrėžia labai svarbų Audriaus Alkausko išvysčiusio krūvininkų nespindulinės pagavos skaičiavimų metodikos indėlį: „Ši metodika leis ateityje nustatyti kitus defektus ir mechanizmus, prisidedančius prie SRH rekombinacijos“.

„Tyrimas atskleidė, kokie būtent defektai lemia šviesos diodų kritimą. Kitas žingsnis – eksperimentinis to pademonstravimas. Sėkmės atveju, tai parodys, kaip auginti aukštesnės kokybės kristalus“, – į ateities perspektyvą žvelgia A. Alkauskas.

KTU mokslininkas vertina tai, jog iškilus sunkumams, išmoko nenuleisti rankų ir bandyti juos išspręsti keliant pačias drąsiausias hipotezes. A. Alkauskas taip pat buvo sužavėtas labai aukštu savo bendradarbių iš JAV moksliniu lygiu ir intuicija.

A. Alkausko su Amerikos mokslininkais vykdyto tyrimo rezultatai buvo publikuoti moksliniame žurnale Applied Physics Letters (2016), o penkerius metus nuosekliai rašyto straipsnio rezultatus vaizduojanti iliustracija pasirodė ant žurnalo viršelio.

Amerikos mokslininkus finansavo JAV Energetikos departamentas, o KTU MGMF Fizikos katedros profesoriaus bei Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) vyriausiojo mokslo darbuotojo A. Alkausko tyrimus rėmė Europos Sąjunga per „Marie Sklodowska-Curie“ programą.