LEDit ja laserit – Uusi perovskiittien ymmärrys voi mullistaa suorituskykymittarit

Tutkijat sukeltaavat yhä syvemmälle perovskiittiin ymmärtääkseen tätä materiaalia paremmin, jolla on laajat sovellukset elektroniikassa, energian varastoinnissa, laseissa, optoelektroniikassa, glukoosisentseereissä ja muussa. Mutta mitä se tarkalleen ottaen on?

Perovskiitti on luonnollinen mineraali, joka koostuu kalsiumista, titaniasta ja hapesta ja jonka kiteinen rakenne on CaTiO₃ tai kaava ABX3. Se löydettiin ensimmäisen kerran vuonna 1839 Venäjällä. Materiaaliluokka, jonka kiteinen rakenne on sama kuin mineraalin perovskiitin, tunnetaan myös perovskiittimateriaaleina.

Lähde: Fabre Minerals

Poikkeukselliset fysikaaliset ominaisuudet, kuten ferroelectric, dielektrinen, piezoelectric ja pyroelectric käyttäytyminen, sekä kemialliset ominaisuudet, mukaan lukien katalyyttinen aktiivisuus ja hapen kuljetuskyky, tekevät perovskiiteista yhden tärkeimmistä rakenteellisista luokista materiaalitieteessä. Tämä tekee niistä potentiaalisia ehdokkaita sovelluksiin, kuten polttokennoissa, muistikomponenteissa ja fotovoltaisissa soluissa.

Niitä voidaan myös käyttää aurinkokennoissa muuntamaan auringonvalo sähköksi, sekä puhtaan energian hankkimiseen että orgaanisten saasteiden hajottamiseen.

Kun perovskiitti voi mahdollisesti edistää monia eri toimialoja, on järkevää, että tutkijat pyrkivät ymmärtämään sitä paremmin.

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken piezoelectric materiaaleista.

Perovskiitin ymmärtäminen atomitasolla paremman hallinnan saavuttamiseksi

Pohjois-Carolinan osavaltion yliopiston tutkijat, National Science Foundationin tukemana, ovat löytäneet tavan luoda kerrostettuja hybridiperovskiittejä (LHP) tutkimalla niitä molekyylitasolla.

Tämä läpimurto mahdollistaa ennennäkemättömän hallinnan LHP:iden valoa säteileviin ominaisuuksiin ja voi johtaa merkittäviin edistysaskeliin laser- ja LED-teknologioissa. Se tarjoaa myös lupauksia muiden materiaalien suunnitteluun fotovoltaalilaitteissa.

Kerrostetut hybridiperovskiitit (LHP), tutkimuksen mukaan, ovat nousseet lupaaviksi puolijohteiksi seuraavan sukupolven energia- ja fotoniikkasovelluksiin. Tässä hallinta kvanttikuvioiden (QWs) jakautumista, kokoa ja suuntausta on äärimmäisen tärkeää.

LHP:t koostuvat erittäin ohutkerroksisista perovskiittipuolijohdemateriaaleista. Nämä kerrokset erotetaan toisistaan ohuilla orgaanisilla “väliaine”-kerroksilla.

Koska nämä useiden perovskiittikerrosten ja “väliaine”-kerrosten ohuet kalvot voivat tehokkaasti muuntaa sähkövarauksen valoksi, LHP:t ovat olleet merkittävässä kiinnostuksen kohteessa tutkimusyhteisössä vuosien ajan. Kuitenkin niiden suunnittelun ja suorituskykyominaisuuksien hallinnan ymmärtäminen on edelleen rajallista.

Niiden ymmärtämiseksi meidän on aloitettava kvanttikuvioista, jotka ovat puolijohdemateriaalin kerroksia, jotka on puristettu ‘väliaine’-kerrosten väliin.

Ne ovat kerroksia, jotka muodostuvat LHP:issä. Kaksiatomisessa kvanttikuviossa on korkeampi energia kuin viisiatomisessa.

Koska energia virtaa korkeaenergisistä rakenteista matalaenergisille rakenteille molekyylitasolla, meidän on oltava kolmen ja neljän atomin paksuisia kvanttikuvioita kahden ja viiden atomin paksuuksien kvanttikuvioiden välillä, jotta energia voi virrata tehokkaasti.

“Haluat periaatteessa, että energia voi laskeutua asteittaisella kaltevuudella.”

– Kenan Gundogdu, paperin yhteiskirjoittaja ja fysiikan professori NC State -laitoksessa

Kuitenkin tutkijat törmäsivät anomaliaan tutkiessaan LHP:itä. Anomalia on kvanttikuvioiden kokojakauma LHP-näytteessä, joka havaitaan röntgendiffraktiolla, ja se eroaa siitä, mitä havaitaan optisella spektroskopialla.

Aram Amassian, paperin yhteyshenkilö ja materiaalitieteen ja -tekniikan professori NC State -yliopistossa, havainnollisti, miten diffraktio voi osoittaa, että kvanttikuvioilla on kaksiatominen paksuus ja ne kuuluvat 3D-bulkkikiteeseen. Samaan aikaan spektroskopia voi paljastaa, että kvanttikuvioita on kaksiatomisina, kolmianomisina ja nelianomisina, sekä kolmiulotteisen bulkkivaiheen läsnäolon.

Joten tiimi etsi vastauksia: Miksi näiden kahden välillä on ristiriita, ja miten kvanttikuvioiden kokoa ja jakautumista LHP:issä voidaan hallita?

Kokeiden avulla tiimi löysi nanolaatikot (NPL) avaintekijäksi. NPL:t ovat yksittäisiä perovskiittimateriaalin levyjä, jotka muodostuvat spontaanisti tutkijoiden LHP:itä luovassa liuoksessa.

“Löysimme, että nämä nanolaatikot toimivat pohjimmiltaan pohjana kerrostetuille materiaaleille, jotka muodostuvat niiden alla,” sanoi Amassian, huomauttaen että nanolaatikoiden atomipaksuus määrää LHP:n alla olevan kerroksen paksuuden.

Kuitenkin nanolaatikot eivät ole vakaita, ja niiden paksuus kasvaa jatkuvasti, lisäten ajan myötä uusia atomikerroksia.

“Lopulta nanolaatikko kasvaa niin paksuksi, että siitä tulee kolmiulotteinen kide.”

– Amassian

Joten anomalia johtui siitä, että diffraktio havaitsee levyjen pinnoittumisen mutta ei nanolaatikoita, kun taas optinen spektroskopia havaitsee erilliset levyt. Hän lisäsi:

“Mielenkiintoista on, että löysimme, että voimme periaatteessa pysäyttää nanolaatikoiden kasvun hallitusti, säätämällä näin kvanttikuvioiden kokoa ja jakautumista LHP-filmeissä.”

Tällä tavoin tutkijat voivat saavuttaa erinomaiset energian putkistot, jotka ovat olennaisia korkean toistettavuuden, alhaisen kynnysarvon ja ympäristön valostabiilisuuden kannalta.

Tämä tarkoittaa, että materiaali on nopea ja erittäin tehokas varauksien ja energian kanavoinnissa laser- ja LED-sovelluksia varten.

Kun nanolaatikot näyttelevät keskeistä roolia perovskiittikerrosten muodostumisessa LHP:issä, tutkijat tarkastelivat, voidaanko NPL:itä käyttää muiden perovskiittimateriaalien rakenteen ja ominaisuuksien suunnitteluun, mukaan lukien aurinkokennot ja muut fotovoltaalitekniikat.

“Löysimme, että nanolaatikot näyttelevät samankaltaista roolia muissa perovskiittimateriaaleissa, ja niitä voidaan käyttää näiden materiaalien suunnitteluun halutun rakenteen parantamiseksi, mikä parantaa niiden fotovoltaalista suorituskykyä ja vakautta.”

– Milad Abolhasani, yhteiskirjoittaja ja ALCOA:n kemian ja biomolekyylien tekniikan professori NC State -laitoksessa

Tiimi hyödynsi NPL:itä hallitakseen 3D-perovskiittien fasettien suuntausta ja parantaakseen laajakaistaisen aurinkokennon vakautta ja tehokkuutta.

Tietokonesimulaatioiden käyttäminen perovskiittien yksityiskohtaiseen ymmärtämiseen

Aurinkokennot, tai fotovoltaalinen (PV) -kenno, ovat kasvattaneet suosiotaan ympäristöetujensa ansiosta. Aurinkoenergia on puhdasta, uusiutuvaa eikä tuota kasvihuonekaasupäästöjä. Auringonvalo on myös äärettömän runsasta, mikä tekee sen hyödyntämisestä aurinkokennoilla helppoa.

Lisäksi niiden kustannukset ovat pudonneet merkittävästi, jopa 70 % vuodesta 2010, mikä tekee niistä edullisia. Teknologian edistysaskeleet ovat parantaneet niiden suorituskykyä ja käyttöikää entisestään.

Tämän myötä globaali aurinkokennojen markkina odotetaan saavuttavan $730.74 miljardia seuraavan vuosikymmenen aikana.

Aurinkokenno on periaatteessa laite, joka muuntaa auringonvalon suoraan sähköksi. Tämä tapahtuu käyttämällä materiaaleja kuten piitä, mutta tutkijat etsivät tehokkaampia ja vakaampia materiaaleja, ja perovskiitteja pidetään lupaavana vaihtoehtona.

Tutkijat ovat työskennelleet perovskiittiaurinkoteknologian parissa jo jonkin aikaa, ja edistysaskeleet ovat johtaneet sen tehokkuusennätyksen rikkomiseen. Aurinkokennoissa perovskiitit toimivat yhdessä piin kanssa hyödyntäen laajemmin auringon spektriä ja tuottaen siten enemmän sähköä per kenno.

Nyt tietokonesimulaatioiden ja koneoppimisen avulla Ruotsin Chalmersin teknillisessä yliopistossa toimivat tutkijat ovat saaneet uusia oivalluksia perovskiittimateriaalien toiminnasta suunnitellakseen tehokkaita ja vakaita optoelektronisia laitteita.

Koneoppiminen on saanut paljon huomiota tieteellisessä yhteisössä, kun tutkijat käyttävät sitä suurempien järjestelmien tutkimiseen kuin aiemmin perinteisillä menetelmillä ja pidemmällä aikavälillä.

Tutkimusryhmä tutki sarjaa 2D-perovskiittimateriaaleja, jotka ovat vakaampia kuin 3D-materiaalit.

He heijastivat materiaalin tietokonesimulaatioissa ja altistivat sen sitten erilaisille skenaarioille saadakseen tarkemman käsityksen siitä, mikä johti kokeen tuloksiin. Tiimi sai paljon laajemman ja yksityiskohtaisemman kokonaiskuvan kuin aiemmin, mikä on erityisen tärkeää, koska tämän materiaalin erittäin ohutkerroksissa jokainen kerros käyttäytyy eri tavalla, mikä on äärimmäisen vaikeaa havaita kokeellisesti.

Professori Paul Erhart, tutkimusryhmän jäsen, auttoi heitä saamaan “paljon syvemmän ymmärryksen siitä, miten 2D-perovskiitit toimivat.”

2D-perovskiittimateriaaleissa on epäorgaanisia kerroksia, jotka ovat pinottuna päällekkäin ja erotettu orgaanisilla molekyyleillä.

“Olemme havainneet, että voit suoraan hallita, miten pintakerrosten atomit liikkuvat valitsemalla orgaaniset linkkerit ja miten tämä vaikuttaa atomiliikkeisiin perovskiittikerrosten syvällä sisällä. Koska tämä liike on niin keskeinen optisille ominaisuuksille, se on kuin dominoefekti.”

– Paul Erhart

Merkittävä oivallus, yhteiskirjoittajan mukaan, tarjoaa mahdollisuuden ymmärtää, mistä 2D-perovskiittimateriaalien vakaus johtuu.

“(Tämä voi auttaa ennustamaan), mitkä linkkerit ja mitat voivat tehdä materiaalista samanaikaisesti vakaamman ja tehokkaamman.”

– Yhteiskirjoittaja Julia Wiktor

Seuraavassa vaiheessa tiimi “siirtyy vielä monimutkaisempiin järjestelmiin ja erityisesti laitteiden toiminnalle olennaisiin rajapintoihin,” lisäsi Wiktor.

Laser- ja LED-teknologian edistysaskeleet

Perovskiittien kehitystä on tapahtunut paljon niiden laajan potentiaalin ansiosta useilla korkean teknologian aloilla, mukaan lukien puhtaan energian tuotanto aurinkokennojen avulla, optoelektroniset laitteet kuten valodetektorit ja anturit sekä muistikomponentit.

Entistä tärkeämpää on, että perovskiittimateriaalien ymmärtämisen ja LHP-tutkimuksen edistyminen voi olla pelin muuttaja seuraavan sukupolven laser-laitteissa, joissa tarkkuus ja tehokkuus ovat ensisijaisia, sekä LED-teknologiassa, jolla on vaikutuksia näyttöihin, valaistukseen ja edistyneisiin näyttötekniikoihin.

Hienosäätämällä näitä materiaaleja voimme saada tehokkaampia laseja, joiden fotostabiilisuus on parantunut, sekä korkea‑kirkkaus LED:eitä, joiden energiankulutus on vähentynyt.

Teknologian nopeasti kehittyvässä maailmassa laserit ja LEDit ovat muodostuneet peruskomponenteiksi monilla eri toimialoilla: viestinnässä, lääketieteellisissä laitteissa, valmistuksessa ja energiatehokkaassa valaistuksessa.

Yksinkertaisesti sanottuna nämä teknologiat ovat mullistaneet tapamme olla vuorovaikutuksessa nykyaikaisen maailman kanssa. Viimeisimmät läpimurrot perovskiittien ja kvanttikuviorakenteiden käytössä ovat vain yksi monista alueista, joita tutkijat tutkivat laser- ja LED-teknologian edistämiseksi.

Tässä on joitakin viimeaikaisia edistysaskeleita laser- ja LED-teknologioissa:

Laserdiodit lupaavat alhaisempia kustannuksia, suurempaa valotehoa, parempaa säteen kantamaa ja tehokkuutta. Näiden etujen ansiosta ne ovat tärkeitä komponentteja optisessa tiedon tallennuksessa. Laserdiodien miniaturisointi on myös johtanut edistysaskeliin LiDAR-järjestelmissä autonomisissa ajoneuvoissa.

Samaan aikaan ultranopeat laserit lähettävät pulssit femtosekuntialueella, mikä on yksi kvadriljonas sekunnista. Tämä mahdollistaa tarkan materiaalinkäsittelyn ilman lämpövahinkoja, ja siksi niitä käytetään yhä enemmän lääketieteellisissä leikkauksissa ja tieteellisessä tutkimuksessa, erityisesti molekyylien ja atomitasoisten ilmiöiden tutkimiseen.

Sisällyttämällä koneoppimisen, tekoälyn ja anturit, kehittyneempiä laseja luodaan, jotka toimivat autonomisesti, lisäävät tehokkuutta ja ovat tarkempia.

Laserilla toteutettu 3D-tulostus, jossa laserlähdettä käytetään valikoivasti sulattamaan materiaaleja yhteen ja luomaan monimutkaisia kohteita, on toinen johtava trendi laser-teknologian alalla. Lisävalmistuksessa kuitulaserit, erityisesti, ovat kasvattaneet suosiotaan korkean tehonsa, tehokkuutensa ja kyvyn ansiosta toimittaa säde pitkille etäisyyksille minimaalisella häviöllä.

Laserit otetaan yhä enemmän käyttöön myös etsaamiseen. Tähän tarkoitukseen käytetään kaikkia laserityyppejä, kuitu-, CO2- ja kite-lasereita sekä diode- ja diode-pumpattuja kiinteän aineen laseja. Yhdessä tapauksessa Flindersin yliopiston tutkijat muokkasivat pintoja matalatehoisilla laseilla — jotka tavallisesti vaativat kalliita, suuritehoisia laseja tiedon tallennukseen.

Toisessa tutkimuksessa raportoimme, että tutkijat altistivat ei-magneettisen materiaalin korkean taajuuden laser-säteilylle tuottaen magneettisen vaikutuksen huoneenlämmössä, mikä voi avata tien energiatehokkaampiin ja nopeampiin tietokoneisiin sekä mullistaa elektroniikan.

Uudet laserlaitteet ovat kehittyneet niin pitkälle, että ne voivat nyt analysoida henkilön ihoa reaaliaikaisesti. Ne mahdollistavat myös tarkat kohdistukset tiettyihin alueisiin. Holmium (YAG) -laser, joka on yksi merkittävimmistä lasereista urologian alalla, on äskettäin parannettu pulssimoduloivalla tekniikalla. Tämä uusi teknologia mahdollistaa sekä pulssimoodin että jatkuvan aaltomuodon.

Laserien kehitys on myös tuonut meille mikrolasereita, jotka ovat erittäin räätälöitäviä ja tarjoavat vahvan optisen rajoituksen sekä parannetun valo‑aine -vuorovaikutuksen.

LED-alueella käyttöikä on kasvanut dramaattisesti, mikä edistää energiansäästöä.

LED-teknologian soveltamista erityisesti nopeutuu autojen valaistuksessa, jossa niiden parantunut näkyvyys, energiatehokkuus ja kestävyys lisäävät turvallisuutta. Samaan aikaan katuvalaistuksessa LEDit tarjoavat kirkkaampaa valaisua ja merkittäviä energiansäästöjä.

Tässä nanoteknologia osoittaa potentiaalia merkittävästi vaikuttaa LED-tehokkuuteen. Kvanttipisteet (quantum dots) ovat äärimmäisen pieniä kristalleja, joilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia, joita voidaan säätää säteilemään valoa koko näkyvän spektrin alueella, tarjoten enemmän väri­vaihtoehtoja. QD-LEDit tarjoavat parannetun väritarkkuuden ja kirkkauden, ja siksi ne yleistyvät televisioissa ja näytöissä.

Perinteisten LEDien pienemmät versiot, mini- ja mikro-LEDit, mahdollistavat korkeamman resoluution, paremman kontrastin ja energiatehokkuuden näytöissä. Niitä integroidaan seuraavan sukupolven TV:ihin, AR/VR-laitteisiin ja matkapuhelimiin, jotta ne tarjoavat paljon paremman kirkkauden ja nopeammat vasteajat kuin OLEDit.

Integroimalla antureita ja yhteysominaisuuksia LEDeihin, tutkijat luovat myös ‘älyvalaistus’ -järjestelmiä, jotka säätävät kirkkauden, värin ja ajoituksen käyttäjän mieltymysten tai ympäristöolosuhteiden mukaan.

Yritykset, jotka johtavat kehitystä

First Solar (FSLR ) on aurinkoenergia-alan johtaja, jonka fokus on ohutkalvoiset fotovoltaaliset (PV) -ratkaisut. Osakkeiden hinta on $207.75, noussut 19,35 % YTD, markkina-arvo on $22 bln. 2Q24:ssä yhtiö raportoi $1,01 miljardia myyntiä, kun nettotulos kaksinkertaistui yli $349,4 miljoonaan. Silloin toimitusjohtaja Mark Widmar totesi, että aurinkoyhtiöt kohtaavat rahoituksen rajoituksia, kun sijoittajat odottavat politiikan selkeytymistä rahoituspäätösten tekemiseksi.

Samaan aikaan Lumentum Holdings (LITE ) on mukana laserien suunnittelussa ja valmistuksessa viestintä-, kaupallisissa ja teollisissa sovelluksissa. Tämä $4,7 bln markkina-arvon yhtiö on noussut 31,21 % YTD ja sen osakkeet käyvät $69.43.

Sitten on Acuity Brands, Inc. (AYI ), joka on LED-valaistusjärjestelmien johtaja. Tämä $9,38 bln markkina-arvon yhtiö on noussut 48,9 % ja sen osakkeet käyvät tällä hetkellä $305.

Nyt tarkastellaan syvemmin yhtä alansa huippusuorittajista.

Coherent, Inc. (COHR )

Keskeinen toimija laser-pohjaisessa teknologiassa, Coherent tarjoaa laseja laajalle sovellusalueelle, mukaan lukien materiaalinkäsittely, elektroniikka ja biolääketiede. Sen osakkeet ovat nousseet yli 132 % tänä vuonna; tähän mennessä ne ovat käyneet $105,10, mikä asettaa sen markkina-arvoksi $15,6 miljardia. Sen EPS (TTM) on -1,85 ja P/E (TTM) on -54,79.

Vuoden neljännen neljänneksen osalta yhtiö raportoi $1,314 miljardia liikevaihtoa ja $4,708 miljardia koko vuoden 30. kesäkuuta 2024 päättyneelle kaudelle, GAAP-kokonaiskatteilla 32,9 % ja 30,9 % vastaavasti. Kasvu, Rich Martuccin, tilapäisen talousjohtajan mukaan, johtui “pääasiassa tekoälyyn liittyvästä vahvuudesta Datacom‑transceiver‑liiketoiminnassamme”.

Äskettäin yhtiö esitteli uuden sarjan erittäin tehokkaita jatkuvan aallon (CW) jakautuvan takaisinkytkennän (DFB) laseja, jotka on suunniteltu tarjoamaan 15 % suurempi energiatehokkuus kuin alan standardit. Nämä laserit vastaavat kasvavan kaistanleveyden tarpeeseen, jota AI‑keskeiset datakeskukset vaativat. Aiemmin tänä vuonna Coherent myös lanseerasi HyperRapid NXT -teollisuus‑pikosekuntilaserin, joka mahdollistaa erittäin tarkan ohutkalvoaurinkokennojen valmistuksen.

Yhteenveto

Perovskiittimateriaalit ovat äärimmäisen arvokkaita niiden tehokkuuden, kustannustehokkuuden, joustavuuden, ohuuden, liikkuvuuden ja valoa absorboivien ominaisuuksien ansiosta. Siksi näiden materiaalien paremman ja syvällisemmän ymmärtämisen saavuttaminen, mikä etenee nopeasti, voi avata uusia mahdollisuuksia seuraavan sukupolven laser- ja LED-teknologioille.

Hallitsemalla kvanttikuvioiden rakennetta ja käyttäytymistä tutkijat avaavat edelleen tietä tehokkaammalle energian siirrolle, suuremmalle vakaudelle ja parannetuille valoa säteileville ominaisuuksille. Nämä läpimurrot voivat asettaa perovskiitit pelin muuttajiksi eri toimialoilla, ja kun tutkimus jatkuu, niillä on potentiaali mullistaa puhdas energia, näyttötekniikat ja laserisovellukset, tehden niistä materiaalitieteen keskipisteen.

Klikkaa tästä saadaksesi listan kymmenestä parhaasta aurinkosijoituksesta.