LEDs at Lasers – Bagong Pag-unawa sa Perovskite Maaaring Baguhin ang Mga Sukatan ng Pagganap

Ang mga siyentipiko ay masusing sinusuri ang perovskite upang mas maunawaan ang materyal na ito, na may malawak na aplikasyon sa electronics, imbakan ng enerhiya, lasers, optoelectronics, mga sensor ng glucose, at iba pa. Ngunit ano nga ba ito?

Ang perovskite ay isang natural na mineral na binubuo ng calcium, titanium, at oxygen na may kristal na estruktura ng CaTiO₃ o may formula na ABX3. Una itong natuklasan noong 1839 sa Russia. Ang isang klase ng mga materyales na may parehong kristal na estruktura tulad ng mineral na perovskite ay kilala rin bilang mga perovskite material.

Pinagmulan: Fabre Minerals

Ang natatanging pisikal na katangian tulad ng ferroelectric, dielectric, piezoelectric, at pyroelectric na pag-uugali pati na rin ang kemikal na katangian, kabilang ang catalytic activity at kakayahang mag-transport ng oxygen ng perovskite, ay ginagawa itong isa sa pinakamahalagang klase ng estruktura sa agham ng materyales. Dahil dito, ito ay potensyal na kandidato para sa mga aplikasyon sa fuel cells, memory devices, at photovoltaics.

Maaari rin itong magamit sa mga solar cell upang i-convert ang sikat ng araw sa kuryente, pati na rin para sa pagkuha ng malinis na enerhiya at pag-degrade ng mga organikong pollutant.

Dahil sa maraming uri ng industriya na maaaring mapabuti ng perovskite, makatuwiran na sinusubukan ng mga siyentipiko na mas maunawaan ito.

I-click dito upang matutunan ang lahat tungkol sa mga piezoelectric material.

Pag-unawa sa Perovskite sa Antas ng Atomo para sa Mas Mahusay na Kontrol

Ang mga mananaliksik mula sa North Carolina State University, na sinusuportahan ng National Science Foundation, ay nakadiskubre ng paraan upang lumikha ng layered hybrid perovskites (LHPs) sa pamamagitan ng pag-aaral nito sa antas ng molekula.

Ang breakthrough na ito ay nagbibigay ng hindi pa nagagawang kontrol sa mga katangian ng paglabas ng liwanag ng LHPs at maaaring magdulot ng makabuluhang pag-unlad sa teknolohiya ng laser at LED. Nagbibigay din ito ng pangako para sa pag-ingenyo ng iba pang mga materyales para magamit sa mga photovoltaic device.

Ayon sa pananaliksik, ang layered hybrid perovskites (LHPs) ay lumitaw bilang mga pangakong semiconductor para sa susunod na henerasyon ng enerhiya at photonic na aplikasyon. Dito, napakahalaga ang kontrol sa distribusyon, laki, at oryentasyon ng quantum wells (QWs).

Ang LHPs ay binubuo ng napakakapal na mga sheet ng perovskite semiconductor material. Ang mga sheet na ito ay pinaghiwalay ng manipis na organikong “spacer” na mga layer.

Dahil ang manipis na mga pelikula ng maraming sheet ng perovskite at mga “spacer” na layer ay maaaring epektibong i-convert ang kuryente sa liwanag, ang LHPs ay matagal nang kinagigiliwan ng komunidad ng pananaliksik. Gayunpaman, limitado pa rin ang pag-unawa kung paano ito i-ingenyo upang kontrolin ang mga katangian ng pagganap nito.

Upang maunawaan ito, kailangan nating magsimula sa quantum wells, na mga sheet ng semiconductor material na nakapaloob sa pagitan ng mga ‘spacer’ na layer.

Ito ang mga layer na nabubuo sa LHPs. At ang quantum well na dalawang atom ang kapal ay may mas mataas na enerhiya kaysa sa isa na limang atom ang kapal.

Because energy flows from high-energy structures to low-energy structures at the molecular level, we need to have three and four atoms-thick quantum wells between the two and five atoms-thick quantum wells, allowing the energy to flow efficiently.

“Sa madaling salita, nais mong magkaroon ng unti-unting pag-urong na maaaring pagdaanan ng enerhiya pababa.”

– Kenan Gundogdu, co-author ng papel at propesor ng pisika sa NC State

Gayunpaman, patuloy na nakaranas ang mga tao ng isang anomalya sa pag-aaral ng LHPs. Ang anomalya ay ang distribusyon ng laki ng quantum wells sa isang LHP sample na nasusukat sa pamamagitan ng X-ray diffraction, na iba sa nakikita gamit ang optical spectroscopy.

Ipinakita ni Aram Amassian, ang corresponding author ng papel at propesor ng materials science at engineering sa NC State University, kung paano maaaring ipakita ng diffraction na ang quantum wells ay may dalawang atom na kapal at bahagi ng isang 3D bulk crystal. Samantala, maaaring ipakita ng spectroscopy na ang quantum wells ay may dalawang, tatlo, at apat na atom na kapal, pati na rin ang presensya ng tatlong-dimensional na bulk phase.

Kaya’t naghanap ang koponan ng mga sagot: Bakit may ganitong hindi pagkakatugma sa pagitan ng dalawa, at paano maaaring kontrolin ang laki at distribusyon ng quantum wells sa LHPs?

Sa pamamagitan ng mga eksperimento, natuklasan ng koponan na ang nanoplatelets (NPLs) ang susi. Ang NPLs ay mga indibidwal na sheet ng perovskite material na kusang nabubuo sa ibabaw ng solusyon na ginamit ng mga mananaliksik para lumikha ng LHPs.

“Natuklasan naming ang mga nanoplatelet ay nagsisilbing mga template para sa mga layered material na nabubuo sa ilalim nila,” sabi ni Amassian, na binigyang-diin na ang atomic thickness ng nanoplatelet ay nagtatakda ng kapal ng LHP sa ibaba nito.

Gayunpaman, hindi matatag ang mga nanoplatelet, at ang kanilang kapal ay patuloy na lumalaki, nagdadagdag ng mga bagong layer ng atom sa paglipas ng panahon.

“Sa huli, ang nanoplatelet ay lumalaki nang napakakapal na nagiging tatlong-dimensional na kristal.”

– Amassian

Kaya, ang anomalya ay dahil ang diffraction ay nakaka-detect ng pag-stack ng mga sheet ngunit hindi ng mga nanoplatelet, samantalang ang optical spectroscopy ay nakaka-detect ng mga hiwalay na sheet. Idinagdag niya:

“Ang nakakatuwa ay natuklasan naming maaari naming pigilan ang paglago ng mga nanoplatelet sa isang kontroladong paraan, na epektibong inaayos ang laki at distribusyon ng quantum wells sa mga LHP film.”

Sa paggawa nito, makakamit ng mga mananaliksik ang napakagandang energy cascades, na mahalaga para sa mataas na reproducibility, mababang threshold, at ambient photostability.

Ibig sabihin nito ay ang materyal ay mabilis at lubos na epektibo sa pag-channel ng mga charge at enerhiya para sa mga aplikasyon ng laser at LED.

Sa kritikal na papel ng nanoplatelet sa pagbuo ng mga perovskite layer sa LHPs, sinuri ng mga mananaliksik kung maaaring gamitin ang NPLs upang i-ingenyo ang estruktura at katangian ng iba pang perovskite material, kabilang ang mga ginagamit sa solar cell at iba pang photovoltaic na teknolohiya.

“Natuklasan naming ang mga nanoplatelet ay may katulad na papel sa ibang perovskite material at maaaring gamitin upang i-ingenyo ang mga materyal na iyon upang mapabuti ang nais na estruktura, na nagpapabuti sa kanilang photovoltaic performance at stability.”

– Milad Abolhasani, Co-author at ALCOA Professor ng Chemical at Biomolecular Engineering sa NC State

Kaya, ginamit ng koponan ang NLPs upang kontrolin ang orientation ng facet ng 3D perovskites at mapabuti ang stability at efficiency ng wide-bandgap solar cells.

Paggamit ng Computer Simulations para sa Detalyadong Pag-unawa sa Perovskites

Ang mga solar cell, o photovoltaic (PV) cells, ay nagiging napakapopular dahil sa kanilang mga benepisyong pangkapaligiran. Ang solar energy, sa katunayan, ay malinis, renewable, at hindi naglalabas ng greenhouse gas emissions. Ang sikat ng araw ay walang limitasyong magagamit, kaya madaling makuha gamit ang mga solar cell.

Dagdag pa, ang kanilang gastos ay bumaba nang malaki, hanggang 70% mula noong 2010, na nagiging abot-kaya ang mga ito. Ang mga pag-unlad sa teknolohiya ay lalo pang nagpa-improve ng kanilang performance at lifespan.

Sa ganitong konteksto, inaasahang aabot sa $730.74 bilyon ang pandaigdigang merkado ng solar cell sa susunod na dekada.

Ang solar cell ay isang aparato na direktang nagko-convert ng sikat ng araw sa kuryente. Ginagamit nito ang mga materyales tulad ng silicon, ngunit hinahanap ng mga siyentipiko ang mas epektibo at matatag na mga materyales, at itinuturing na promising alternative ang perovskites.

Matagal nang nagtatrabaho ang mga siyentipiko sa perovskite solar technology, at ang mga pag-unlad ay nagdala sa pagbasag ng mga rekord sa kahusayan. Sa mga solar cell, ang perovskites ay nakikipagtulungan sa silicon upang magamit ang mas malaking bahagi ng solar spectrum at, bilang resulta, makabuo ng mas maraming kuryente bawat cell.

Ngayon, sa pamamagitan ng paggamit ng computer simulations at machine learning, nagawang makakuha ng mga mananaliksik sa Chalmers University of Technology sa Sweden ng mga bagong pananaw kung paano gumagana ang mga perovskite material upang makadisenyo ng epektibo at matatag na optoelectronic device.

Ang machine learning ay nakakuha ng malaking atensyon sa komunidad ng siyensya habang ginagamit ito ng mga mananaliksik upang pag-aralan ang mas malalaking sistema kaysa dati gamit ang mga karaniwang pamamaraan at sa mas mahabang panahon.

Kaya, pinag-aralan ng research team ang serye ng 2D perovskite material, na mas matatag kaysa sa 3D.

Inilatag nila ang materyal sa computer simulations at sinubok ito sa iba’t ibang senaryo upang makakuha ng detalyadong ideya kung ano ang nagdulot ng mga resulta sa isang eksperimento. Nakakuha ang koponan ng mas malawak at mas detalyadong pangkalahatang-ideya kaysa dati, na mahalaga dito dahil sa napakakapal na mga layer ng materyal, bawat layer ay kumikilos nang iba, na napakahirap matuklasan sa eksperimental na paraan.

Tinulungan sila ni Propesor Paul Erhart, miyembro ng research team, upang makakuha ng “mas malalim na pag-unawa kung paano gumagana ang 2D perovskites.”

Sa mga 2D perovskite material, may mga inorganic layer na naka-stack isa sa ibabaw ng isa at pinaghiwalay ng mga organikong molekula.

“Natuklasan namin na maaari mong direktang kontrolin kung paano gumagalaw ang mga atom sa mga surface layer sa pamamagitan ng pagpili ng mga organic linker at kung paano nito naaapektuhan ang galaw ng atom sa loob ng mga layer ng perovskite. Dahil napakahalaga ng galaw na iyon sa mga optical properties, ito ay parang domino effect.”

– Paul Erhart

Ayon sa co-author, ang malaking pag-unawang ito ay nagbibigay ng pagkakataon upang maunawaan kung saan nagmumula ang stability ng 2D perovskite material.

“(Makakatulong ito upang hulaan) kung aling mga linker at dimensyon ang maaaring magpataas ng stability at kahusayan ng materyal nang sabay-sabay.”

– Co-author Julia Wiktor

Sa susunod na hakbang, ililipat ng koponan ang kanilang pag-aaral sa mas komplikadong mga sistema at, partikular, mga interface na mahalaga para sa pag-andar ng mga device,” dagdag ni Wiktor.

Mga Pag-unlad sa Teknolohiya ng Laser at LED

Maraming pag-unlad ang naganap sa perovskites dahil sa kanilang malawak na potensyal sa ilang high-tech na larangan, kabilang ang malinis na paglikha ng enerhiya sa pamamagitan ng solar cell, mga optoelectronic device tulad ng photodetectors at sensors, at mga memory device.

Higit pa rito, ang pag-unlad sa pag-unawa sa perovskite material at pananaliksik sa LHPs ay maaaring magbago ng laro para sa susunod na henerasyon ng laser device, kung saan ang precision at kahusayan ay pinakamahalaga, at teknolohiya ng LED, na may implikasyon sa mga screen, ilaw, at advanced display technology.

Sa pamamagitan ng masusing pag-aayos ng mga materyal na ito, makakakuha tayo ng mas epektibong laser na may mas mataas na photostability at high-brightness LED na may mababang konsumo ng enerhiya.

Sa mabilis na umuunlad na mundo ng teknolohiya, ang mga laser at LED ay naging pundamental na bahagi sa iba’t ibang industriya: komunikasyon, medikal na kagamitan, pagmamanupaktura, at energy-efficient lighting.

Sa simpleng salita, binago ng mga teknolohiyang ito kung paano tayo nakikipag-ugnayan sa modernong mundo. Ang pinakabagong mga breakthrough sa paggamit ng perovskite at quantum well structures ay isa lamang sa maraming larangan na sinusuri ng mga siyentipiko upang itaguyod ang teknolohiya ng laser at LED.

Narito ang ilang kamakailang pag-unlad sa teknolohiya ng laser at LED:

Ang mga laser diode ay nangangako ng mas mababang gastos, mas mataas na liwanag, mas mahusay na distansya ng beam, at kahusayan. Dahil sa mga benepisyong ito, nagiging mahalagang bahagi sila ng optical data storage. Ang miniaturization ng laser diode ay nagdulot din ng pag-unlad sa mga LiDAR system para sa autonomous vehicles.

Samantala, ang ultrafast lasers ay naglalabas ng pulses sa femtosecond range, na isang quadrillionth ng segundo. Pinapayagan nito ang tumpak na pagproseso ng materyal nang hindi nagdudulot ng init at dahil dito, ito ay lalong ginagamit sa medikal na operasyon at siyentipikong pananaliksik, partikular sa pag-aaral ng mga phenomena sa antas ng molekula at atom.

Sa pagsasama ng machine learning, AI, at sensors, nililikha ang mas advanced na laser na gumagana nang autonomously, nagpapataas ng kahusayan, at mas tumpak.

Ang laser-enabled 3D printing, kung saan ginagamit ang laser source upang selektibong pagdugtungin ang mga materyales at lumikha ng komplikadong mga bagay, ay isa pang nangungunang trend sa larangan ng laser technology. Sa additive manufacturing, ang fiber lasers, partikular, ay nagiging popular dahil sa kanilang mataas na kapangyarihan, kahusayan, at kakayahang maghatid ng beam sa mahabang distansya na may kaunting pagkawala.

Ang mga laser ay ginagamit din nang mas marami para sa etching. Para sa layuning ito, iba’t ibang uri ng laser, mula sa fiber, CO2, at crystal hanggang sa diode laser at diode-pumped solid-state laser, ay ginagamit. Sa isang pagkakataon, binago ng mga mananaliksik mula sa Flinders University ang mga ibabaw gamit ang low-power laser — na karaniwang nangangailangan ng mamahaling, high-power laser para sa data storage.

Sa isa pang pag-aaral, iniulat namin na ang mga mananaliksik ay nag-expose ng non-magnetic material sa high-frequency laser radiation upang lumikha ng magnetic effect sa room temperature, na may potensyal na magbukas ng daan para sa mas energy-efficient at mas mabilis na mga computer at mag-rebolusyon sa electronics.

Ang mga bagong laser device ay naging napaka-advanced na maaari na nilang suriin ang balat ng tao nang real-time. Pinahihintulutan din nila ang tumpak na pagtutok sa mga tiyak na bahagi. Ang holmium (YAG) laser, isa sa mga kilalang laser sa larangan ng urology, ay kamakailan lamang na-improve gamit ang pulse-modulating technology. Ang bagong teknolohiyang ito ay nagbibigay-daan sa parehong pulsed at continuous wave modes.

Ang pag-unlad ng mga laser ay nagbigay din sa atin ng microlasers, na lubos na nako-customize at nag-aalok ng malakas na optical confinement at pinahusay na light-matter interactions.

Sa larangan ng LED, ang buhay ng produkto ay tumaas nang malaki, na nag-aambag sa pagtitipid ng enerhiya.

Ang aplikasyon ng LED technology ay partikular na sumisigla sa automotive lighting, kung saan ang kanilang pinahusay na visibility, energy efficiency, at tibay ay nagpapabuti ng kaligtasan. Samantala, sa street lighting, ang mga LED ay nagbibigay ng mas maliwanag na ilaw at malaking pagtitipid sa enerhiya.

Dito, ipinapakita ng nanotechnology ang potensyal na malaki ang epekto sa kahusayan ng LED. Ang quantum dots ay napakaliit na kristal na may natatanging katangian na maaaring i-tune upang mag-emit ng liwanag sa buong visibility spectrum, na nagbibigay ng mas maraming opsyon sa kulay. Ang QD-LEDs ay nag-aalok ng pinahusay na color accuracy at brightness at, dahil dito, ay nagiging laganap sa mga TV at monitor.

Ang mas maliliit na bersyon ng tradisyonal na LED, ang mini at micro-LEDs, ay nagbibigay ng mas mataas na resolusyon, mas mahusay na contrast, at energy efficiency sa mga display. Sila ay isinasama sa susunod na henerasyon ng TV, AR/VR device, at mga mobile phone upang mag-alok ng mas mahusay na liwanag at mas mabilis na response time kaysa sa OLEDs.

Sa pamamagitan ng pagsasama ng sensors at connectivity features sa LED, nililikha rin ng mga mananaliksik ang mga ‘smart lighting’ system na nag-aayos ng liwanag, kulay, at timing batay sa kagustuhan ng gumagamit o kondisyon ng kapaligiran.

Mga Kumpanyang Nangunguna sa Laban

Ngayon, tingnan natin ang mga potensyal na oportunidad sa pamumuhunan sa mabilis na umuunlad na mga larangan ng laser, LED, at malinis na enerhiya, na maaaring makinabang mula sa mga breakthrough sa perovskite material.

First Solar (FSLR ) ay isang nangunguna sa teknolohiyang solar na nakatuon sa thin-film photovoltaic (PV) solutions. Ang presyo ng kanyang mga shares ay $207.75, tumaas ng 19.35% YTD, at ang market cap nito ay $22 bilyon. Para sa 2Q24, iniulat ng kumpanya ang $1.01 bilyong benta habang ang net income ay higit sa doble sa $349.4 milyon. Noong panahong iyon, sinabi ng CEO na si Mark Widmar na ang mga kumpanya ng solar ay humaharap sa mga restriksyon sa pag-access ng kapital habang naghihintay ang mga mamumuhunan na maging mas malinaw ang patakaran upang makagawa ng mga desisyon sa pagpopondo.

Samantala, Lumentum Holdings (LITE ) ay kasangkot sa pagdidisenyo at paggawa ng mga laser para sa communications, commercial, at industrial na aplikasyon. Ang kumpanya na may market cap na $4.7 bilyon ay tumaas ng 31.21% YTD habang ang presyo ng shares ay $69.43.

Pagkatapos ay narito ang Acuity Brands, Inc. (AYI ), na isang nangunguna sa LED lighting systems. Ang kumpanya na may market cap na $9.38 bilyon ay tumaas ng 48.9% at kasalukuyang nagte-trade sa $305.

Coherent, Inc.

Isang pangunahing manlalaro sa larangan ng laser-based technology, ang Coherent ay nagbibigay ng mga laser para sa malawak na hanay ng aplikasyon, kabilang ang materials processing, electronics, at biomedicine. Ang kanyang mga shares ay tumaas ng higit sa 132% ngayong taon; sa kasalukuyan, ito ay nagte-trade sa $105.10, na naglalagay ng market cap nito sa $15.6 bilyon. Ang EPS (TTM) nito ay -1.85, at ang P/E (TTM) ay -54.79.

Para sa fiscal fourth quarter, ang kumpanya iniulat ang $1.314 bilyong kita at $4.708 bilyon para sa buong taon na nagtatapos noong Hunyo 30, 2024, na may GAAP gross margins na 32.9% at 30.9%, ayon sa pagkakasunod. Ayon kay Rich Martucci, Interim CFO, ang paglago ay “pangunahing dulot ng patuloy na lakas ng AI-related sa aming Datacom transceiver business.”

Kamakailan, ang kumpanya nagpakilala ng bagong serye ng mataas na kahusayan na continuous wave (CW) distributed feedback (DFB) lasers, na dinisenyo upang mag-alok ng 15% na mas mataas na power efficiency kumpara sa industry standards. Ang mga laser na ito ay tumutugon sa pangangailangan para sa lumalaking bandwidth na kinakailangan ng AI-focused data centers. Noong unang bahagi ng taon, inilunsad din ng Coherent ang HyperRapid NXT industrial picosecond laser na nagbibigay-daan sa ultraprecision manufacturing ng thin-film solar cells.

Konklusyon

Ang mga perovskite material ay napakahalaga dahil sa kanilang kahusayan, cost-effectiveness, flexibility, manipis na katangian, mobility, at kakayahang sumipsip ng liwanag. Dahil dito, ang mas malalim at mas detalyadong pag-unawa sa mga materyal na ito, na mabilis na umuunlad, ay makakatulong upang buksan ang mga bagong posibilidad para sa susunod na henerasyon ng laser at LED technology.

Sa pamamagitan ng pagkontrol sa estruktura at pag-uugali ng quantum wells, patuloy na binubuksan ng mga mananaliksik ang daan para sa mas epektibong energy transfer, mas mataas na stability, at pinahusay na light-emitting properties. Ang mga breakthrough na ito ay maaaring maglagay sa perovskite bilang game-changer sa iba’t ibang industriya, at habang nagpapatuloy ang pananaliksik, may potensyal itong baguhin ang malinis na enerhiya, teknolohiya ng display, at mga aplikasyon ng laser, na ginagawa itong sentro ng agham ng materyales.

I-click dito para sa listahan ng sampung nangungunang solar stock.