LED’ler ve Lazerler – Perovskitlerin Yeni Anlaşılması Performans Ölçütlerini Değiştirebilir

Bilim insanları, elektronik, enerji depolama, lazerler, optoelektronik, glukoz sensörleri ve daha fazlasını kapsayan geniş uygulamalara sahip bu malzemeyi daha iyi anlamak için perovskit üzerine daha derin bir araştırma yapıyorlar. Peki, tam olarak nedir?

Perovskit, CaTiO₃ kristal yapısına sahip veya ABX3 formülüne sahip kalsiyum, titanyum ve oksijenden oluşan doğal bir mineraldir. İlk kez 1839’da Rusya’da keşfedilmiştir. Mineral perovskit ile aynı kristal yapısına sahip malzemeler sınıfına perovskit malzemeleri de denir.

Kaynak: Fabre Minerals

Ferroelectric, dielektrik, piezoelektrik ve piroelektrik davranış gibi olağanüstü fiziksel özellikler ve katalitik aktivite ve oksijen taşıma kapasitesi gibi kimyasal özellikler, perovskiti malzeme biliminde en önemli yapı sınıflarından biri yapar. Bu da onu yakıt hücreleri, bellek cihazları ve fotovoltaik uygulamalar için potansiyel bir aday konumuna getirir.

Güneş ışığını elektriğe dönüştürmek için güneş hücrelerinde kullanılabilirler; ayrıca temiz enerji elde etmek ve organik kirleticileri parçalamak için de kullanılabilirler.

Perovskitin potansiyel olarak ilerletebileceği çeşitli endüstriler göz önüne alındığında, bilim insanlarının onu daha iyi anlamaya çalışması mantıklıdır.

Tüm piezoelektrik malzemeler hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.

Perovskiti Atom Seviyesinde Anlamak ve Daha İyi Kontrol Sağlamak

North Carolina State Üniversitesi’nden araştırmacılar, Ulusal Bilim Vakfı’nın desteğiyle, moleküler seviyede inceleyerek katmanlı hibrit perovskitler (LHP’ler) oluşturmanın bir yolunu keşfettiler.

Bu atılım, LHP’lerin ışık yayma özellikleri üzerinde benzeri görülmemiş bir kontrol sağlar ve lazer ve LED teknolojilerinde önemli ilerlemelere yol açabilir. Ayrıca fotovoltaik cihazlarda kullanılmak üzere diğer malzemelerin mühendisliği için de umut vaat ediyor.

Katmanlı hibrit perovskitler (LHP’ler), araştırmaya göre, bir sonraki nesil enerji ve fotonik uygulamalar için umut vaat eden yarı iletkenler olarak ortaya çıkmıştır. Burada, kuantum kuyularının (QW’ler) dağılımını, boyutunu ve yönelimini kontrol etmek son derece önemlidir.

LHP’ler, perovskit yarı iletken malzemenin çok ince tabakalarından oluşur. Bu tabakalar, ince organik “aralayıcı” katmanlarla birbirinden ayrılır.

Bu çoklu perovskit tabakaları ve “aralayıcı” katmanlarından oluşan ince filmlerin elektriği ışığa verimli bir şekilde dönüştürebildiği göz önüne alındığında, LHP’ler yıllardır araştırma topluluğunun büyük ilgisini çekmiştir. Ancak, performans özelliklerini kontrol etmek için nasıl mühendislik yapılacağı konusunda hâlâ sınırlı bir anlayış vardır.

Onları anlamak için, kuantum kuyularıyla başlamamız gerekir; bunlar, ‘aralayıcı’ katmanlar arasına sıkıştırılmış yarı iletken malzeme tabakalarıdır.

Bunlar LHP’lerde oluşan katmanlardır. Ve iki atom kalınlığındaki bir kuantum kuyusu, beş atom kalınlığındaki bir kuyudan daha yüksek enerjiye sahiptir.

Enerji, moleküler seviyede yüksek enerjili yapılardan düşük enerjili yapılara aktığı için, iki ve beş atom kalınlığındaki kuantum kuyuları arasında üç ve dört atom kalınlığında kuantum kuyularına ihtiyaç vardır; bu, enerjinin verimli bir şekilde akmasını sağlar.

“Temelde, enerjinin aşağı doğru kademeli bir eğimle akmasını istiyorsunuz.”

– Kenan Gundogdu, makalenin ortak yazarı ve NC State’de fizik profesörü

Ancak, LHP’leri incelerken insanlar bir anormallikle karşılaştı. Bu anormallik, X-ışını kırınımı ile gözlemlenen bir LHP örneğindeki kuantum kuyularının boyut dağılımının, optik spektroskopi ile tespit edilenlerden farklı olmasıdır.

Aram Amassian, makalenin sorumlu yazarı ve NC State Üniversitesi’nde malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü, kırınımın kuantum kuyularının iki atom kalınlığında olduğunu ve 3B bir katı kristalin parçası olduğunu gösterebileceğini açıkladı. Öte yandan, spektroskopi kuantum kuyularının iki, üç ve dört atom kalınlığında olduğunu ve üç boyutlu katı fazın da mevcut olduğunu ortaya koyabilir.

Bu yüzden ekip, cevaplar aramaya gitti: Neden ikisi arasında bu uyumsuzluk var ve LHP’lerdeki kuantum kuyularının boyutu ve dağılımı nasıl kontrol edilebilir?

Deneyler sonucunda ekip, nanoplatletlerin (NPL’ler) anahtar oyuncu olduğunu keşfetti. NPL’ler, araştırmacıların LHP’leri oluşturmak için kullandıkları çözeltinin yüzeyinde kendiliğinden oluşan perovskit malzemesinin bireysel tabakalarıdır.

“Bu nanoplatletlerin esasen altında oluşan katmanlı malzemeler için şablon görevi gördüğünü bulduk,” dedi Amassian, nanoplatletlerin atomik kalınlığının altındaki LHP’nin kalınlığını belirlediğini belirtti.

Ancak, nanoplatletler stabil değildir ve kalınlıkları zamanla artarak yeni atom katmanları ekler.

“Sonunda, nanoplatlet o kadar kalınlaşır ki üç boyutlu bir kristal haline gelir.”

– Amassian

Dolayısıyla, anormallik, kırınımın tabaka yığınlarını tespit etmesi ancak nanoplatletleri görmemesi, optik spektroskopinin ise izole tabakaları tespit etmesi nedeniyle ortaya çıktı. O, şunu ekledi:

“Heyecan verici olan, nanoplatletlerin büyümesini kontrollü bir şekilde durdurabileceğimizi ve böylece LHP filmlerindeki kuantum kuyularının boyut ve dağılımını ayarlayabildiğimizi bulduk.”

Böyle yaparak, araştırmacılar yüksek tekrarlanabilirlik, düşük eşik ve ortam fotostabilitesi için kritik olan mükemmel enerji kademeleri elde edebilirler.

Bu, malzemenin yükleri ve enerjiyi lazer ve LED uygulamaları için hızlı ve son derece verimli bir şekilde yönlendirmesine dönüşür.

Nanoplatletlerin LHP’lerde perovskit katmanlarının oluşumunda kritik bir rol oynamasıyla, araştırmacılar NPL’lerin diğer perovskit malzemelerin yapısını ve özelliklerini, güneş hücrelerinde ve diğer fotovoltaik teknolojilerde kullanılanları da dahil olmak üzere, mühendislikte kullanılabileceğini görmek istediler.

“Nanoplatletlerin diğer perovskit malzemelerde benzer bir rol oynadığını ve bu malzemeleri istenen yapıyı geliştirmek, fotovoltaik performanslarını ve stabilitelerini artırmak için mühendislikte kullanılabileceğini bulduk.”

– Milad Abolhasani, ortak yazar ve NC State’de Kimya ve Biyomoleküler Mühendislik ALCOA Profesörü

Bu yüzden ekip, NLP’leri (muhtemelen NPL’leri) kullanarak 3D perovskitlerin yüzey yönelimini kontrol etti ve geniş bant boşluğu güneş hücrelerinin stabilitesini ve verimliliğini artırdı.

Bilgisayar Simülasyonlarıyla Perovskitlere Ayrıntılı İçgörü

Güneş hücreleri, ya da fotovoltaik (PV) hücreler, çevresel faydaları sayesinde büyük bir popülerlik kazanıyor. Sonuçta, güneş enerjisi temiz, yenilenebilir ve sera gazı emisyonu üretmiyor. Güneş ışığı da sınırsız miktarda mevcut, bu da güneş hücreleriyle kolayca kullanılmasını sağlıyor.

Ayrıca, maliyetleri 2010’dan bu yana %70 kadar önemli ölçüde düşmüş, bu da onları uygun fiyatlı kılmıştır. Teknolojideki ilerlemeler ise performanslarını ve ömürlerini daha da iyileştirmiştir.

Bu bağlamda, küresel güneş hücresi pazarının önümüzdeki on yılda $730.74 milyar ulaşması bekleniyor.

Güneş hücresi temelde güneş ışığını doğrudan elektriğe dönüştüren bir cihazdır. Bunun için silikon gibi malzemeler kullanır, ancak bilim insanları daha verimli ve stabil malzemeler aramakta ve perovskitler umut vaat eden bir alternatif olarak görülmektedir.

Bilim insanları bir süredir perovskit güneş teknolojisi üzerinde çalışıyor ve ilerlemeler, verimlilik rekorlarını kırmasına yol açtı. Güneş hücrelerinde perovskitler, silikonla birlikte çalışarak güneş spektrumunun daha fazla kısmını kullanır ve böylece hücre başına daha fazla elektrik üretir.

Şimdi, bilgisayar simülasyonları ve makine öğrenimini kullanarak, İsveç’teki Chalmers Teknoloji Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, perovskit malzemelerinin nasıl çalıştığına dair yeni içgörüler elde ederek verimli ve stabil optoelektronik cihazlar tasarlayabildiler.

Makine öğrenimi, araştırmacıların standart yöntemlerle önceki dönemlerde mümkün olandan daha büyük sistemleri ve daha uzun süreleri incelemesi sayesinde bilim topluluğunda büyük bir ivme kazandı.

Bu yüzden araştırma ekibi, 3B’ye göre daha stabil olan bir dizi 2B perovskit malzemesini inceledi.

Malzemeyi bilgisayar simülasyonlarıyla haritaladılar ve ardından farklı senaryolara tabi tutarak bir deneydeki sonuçlara neyin yol açtığını ayrıntılı bir şekilde anlamaya çalıştılar. Ekip, daha önceki çalışmalara kıyasla çok daha geniş ve detaylı bir bakış elde etti; bu özellikle çok ince katmanlarda her katmanın farklı davranması ve deneysel olarak tespit edilmesinin son derece zor olduğu için önemlidir.

Araştırma ekibinin bir üyesi olan Profesör Paul Erhart, onlara “2B perovskitlerin nasıl çalıştığına dair çok daha büyük bir içgörü” kazandırdı.

In 2D perovskite materials, there are inorganic layers that are stacked on top of each other and separated by organic molecules.

“Keşfettiğimiz şey, organik bağlayıcıların seçimiyle yüzey katmanlarındaki atomların nasıl hareket ettiğini doğrudan kontrol edebileceğiniz ve bu hareketin perovskit katmanlarının derinliklerindeki atom hareketlerini nasıl etkilediğidir. Bu hareket optik özellikler için çok kritik olduğundan, bir domino etkisi gibidir.”

– Paul Erhart

Ortak yazarın belirttiğine göre, bu önemli içgörü, 2B perovskit malzemelerinin stabilitesinin nereden geldiğini anlamak için fırsat sunar.

“(Bu, hangi bağlayıcıların ve boyutların malzemeyi aynı anda daha stabil ve daha verimli hale getirebileceğini) tahmin etmeye yardımcı olabilir.”

– Ortak yazar Julia Wiktor

Bir sonraki adımda, ekip “daha karmaşık sistemlere ve özellikle cihazların işlevi için temel olan arayüzlere” geçecek, diye ekledi Wiktor.

Lazer ve LED Teknolojilerindeki Gelişmeler

Perovskitlerde, güneş hücreleriyle temiz enerji üretimi, fotodetektörler ve sensörler gibi optoelektronik cihazlar ve bellek cihazları gibi çeşitli yüksek teknoloji alanlarındaki geniş potansiyelleri sayesinde çok sayıda gelişme kaydedilmiştir.

Daha da önemlisi, perovskit malzemelerinin anlaşılmasındaki ilerleme ve LHP’lere yönelik araştırmalar, hassasiyet ve verimliliğin en önemli olduğu bir sonraki nesil lazer cihazları için oyunu değiştirebilir ve LED teknolojisi, ekranlar, aydınlatma ve gelişmiş gösterge teknolojileri üzerinde etkili olabilir.

Bu malzemeleri ince ayar yaparak, daha yüksek fotostabiliteye sahip daha verimli lazerler ve enerji tüketimini azaltan yüksek parlaklığa sahip LED’ler elde edebiliriz.

Hızla evrilen teknoloji dünyasında, lazerler ve LED’ler iletişim, tıbbi cihazlar, üretim ve enerji verimli aydınlatma gibi çeşitli endüstrilerde temel bileşenler haline gelmiştir.

Basitçe söylemek gerekirse, bu teknolojiler modern dünyayla etkileşim biçimimizi dönüştürdü. Perovskitlerin ve kuantum kuyu yapılarının kullanımındaki son atılımlar, bilim insanlarının lazer ve LED teknolojisini ilerletmek için araştırdığı birçok alandan sadece biridir.

İşte lazer ve LED teknolojilerindeki bazı son gelişmeler:

Lazer diyotlar, maliyetin azalması, ışık çıkışının artması, ışın menzilinin iyileşmesi ve verimlilik vaat ediyor. Bu faydalar sayesinde optik veri depolamanın kritik bir bileşeni haline geliyorlar. Lazer diyotların küçültülmesi, otonom araçlar için LiDAR sistemlerindeki ilerlemelere de yol açtı.

Öte yandan, ultrahızlı lazerler femtosaniye aralığında darbeler yayar; bu bir saniyenin bir katrilyonda biridir. Bu, ısı hasarı vermeden hassas malzeme işleme imkanı sağlar ve bu nedenle özellikle moleküler ve atomik seviyedeki fenomenleri incelemek için tıbbi cerrahi ve bilimsel araştırmalarda giderek daha fazla kullanılmaktadır.

Makine öğrenimi, yapay zeka ve sensörleri entegre ederek, otonom çalışan, verimliliği artıran ve daha hassas olan daha gelişmiş lazerler oluşturulmaktadır.

Lazer destekli 3B baskı, bir lazer kaynağının malzemeleri seçici olarak birleştirip karmaşık nesneler oluşturduğu bir yöntem, lazer teknolojisi alanındaki bir diğer önde gelen trenddir. Katmanlı imalatta, özellikle fiber lazerler yüksek güç, verimlilik ve uzun mesafelerde minimum kayıpla ışın iletebilme yetenekleri sayesinde popülerlik kazanıyor.

Lazerler ayrıca aşındırma için giderek daha fazla kullanılmaktadır. Bu amaçla fiber, CO2, kristal, diyot lazerler ve diyot pompalı katı hal lazerleri gibi çeşitli lazer tipleri kullanılmaktadır. Bir örnekte, Flinders Üniversitesi araştırmacıları düşük güçlü lazerlerle yüzeyleri modifiye etti — genellikle veri depolama için pahalı, yüksek güçlü lazerler gerektiren bir işlem.

Başka bir çalışmada, araştırmacıların manyetik olmayan bir malzemeyi yüksek frekanslı lazer radyasyonuna maruz bırakarak oda sıcaklığında manyetik bir etki oluşturduklarını bildirdik; bu, daha enerji verimli ve daha hızlı bilgisayarlar ile devrim niteliğinde elektroniklerin yolunu açma potansiyeline sahiptir.

Yeni lazer cihazları o kadar gelişmiş ki artık bir kişinin derisini gerçek zamanlı olarak analiz edebiliyorlar. Ayrıca belirli bölgeleri hassas bir şekilde hedeflemeye olanak tanıyorlar. Ürologi alanının en dikkat çekici lazerlerinden biri olan holmyum (YAG) lazeri, yakın zamanda darbe modülasyonu teknolojisi ile iyileştirildi. Bu yeni teknoloji hem darbeli hem de sürekli dalga modlarını mümkün kılıyor.

Lazerlerin evrimi ayrıca yüksek derecede özelleştirilebilir ve güçlü optik hapsolma ile artırılmış ışık-madde etkileşimleri sunan mikrolazerleri de ortaya çıkardı.

LED alanında, ömür dramatik bir şekilde artmış ve bu da enerji tasarrufuna katkı sağlamaktadır.

LED teknolojisinin uygulaması özellikle otomotiv aydınlatmasında ivme kazanıyor; geliştirilmiş görünürlük, enerji verimliliği ve dayanıklılık güvenliği artırıyor. Öte yandan, sokak aydınlatmasında LED’ler daha parlak aydınlatma ve önemli enerji tasarrufu sağlıyor.

Burada, nanoteknoloji LED verimliliğini önemli ölçüde etkileme potansiyelini gösteriyor. Kuantum noktaları, görünür spektrum boyunca ışık yayacak şekilde ayarlanabilen benzersiz özelliklere sahip son derece küçük kristallerdir ve daha fazla renk seçeneği sunar. QD-LED’ler renk doğruluğu ve parlaklığı artırır ve bu nedenle TV’lerde ve monitörlerde yaygınlaşmaktadır.

Geleneksel LED’lerin daha küçük versiyonları, mini ve mikro-LED’ler ise ekranlarda daha yüksek çözünürlük, daha iyi kontrast ve enerji verimliliği sağlar. Bunlar, bir sonraki nesil TV’lerde, AR/VR cihazlarında ve mobil telefonlarda çok daha yüksek parlaklık ve OLED’lere kıyasla daha hızlı yanıt süreleri sunmak için entegre edilmektedir.

LED’lere sensör ve bağlantı özellikleri entegre ederek, araştırmacılar kullanıcı tercihleri veya çevresel koşullara göre parlaklığı, rengi ve zamanlamayı ayarlayan ‘akıllı aydınlatma’ sistemleri de geliştirmektedir.

Öncü Şirketler

Şimdi, lazerler, LED’ler ve temiz enerji gibi hızla ilerleyen alanlarda, perovskit malzemelerindeki atılımlardan faydalanabilecek potansiyel yatırım fırsatlarına bir göz atalım.

First Solar (FSLR ) ince film fotovoltaik (PV) çözümlerine odaklanan bir güneş teknolojisi lideridir. Hisseleri $207.75 seviyesinde işlem görmekte ve YTD %19.35 artış göstermektedir; piyasa değeri $22 milyar. 2Q24 için şirket $1.01 milyar satış ve net gelir $349.4 milyon olarak iki katından fazla artış bildirdi. O dönemde CEO Mark Widmar, güneş şirketlerinin sermaye erişiminde kısıtlamalarla karşılaştığını ve yatırımcıların finansman kararları için politikanın daha net olmasını beklediğini söyledi.

Bu arada, Lumentum Holdings (LITE ) iletişim, ticari ve endüstriyel uygulamalar için lazer tasarımı ve üretimiyle ilgilenmektedir. Bu $4.7 milyar piyasa değerine sahip şirketin hisseleri YTD %31.21 artışla $69.43 seviyesinde işlem görüyor.

Ardından Acuity Brands, Inc. (AYI ) LED aydınlatma sistemlerinde lider bir şirkettir. Bu $9.38 milyar piyasa değerine sahip şirketin hisseleri %48.9 artış göstererek şu anda $305 seviyesinde işlem görüyor.

Coherent, Inc.

Lazer tabanlı teknoloji alanında önemli bir oyuncu olan Coherent, malzeme işleme, elektronik ve biyomedikal gibi geniş bir uygulama yelpazesi için lazerler sağlamaktadır. Hisseleri bu yıl %132’den fazla artış gösterdi; şu ana kadar $105.10 seviyesinde işlem gördü ve piyasa değeri $15.6 milyar. EPS (TTM) -1.85 ve P/E (TTM) -54.79.

Finansal dördüncü çeyreği için şirket raporladı 2024 yılı 30 Haziran’da sona eren tam yıl için $1.314 milyar gelir ve $4.708 milyar gelir elde etti; GAAP brüt marjları sırasıyla %32.9 ve %30.9 oldu. Büyüme, Rich Martucci, Geçici CFO’ya göre, “özellikle AI ile ilgili güçlülüğün Datacom transceiver işimizde devam etmesinden kaynaklanmaktadır.”

Yakın zamanda şirket tanıttı yüksek verimli sürekli dalga (CW) dağıtılmış geri besleme (DFB) lazerlerinin yeni serisini; bu lazerler endüstri standartlarından %15 daha yüksek güç verimliliği sunmak üzere tasarlanmıştır. Bu lazerler, AI odaklı veri merkezlerinin artan bant genişliği talebine yanıt vermektedir. Bu yılın başlarında Coherent ayrıca HyperRapid NXT adlı endüstriyel pikosaniye lazerini piyasaya sürdü; bu lazer ince film güneş hücrelerinin ultra hassas üretimini mümkün kılıyor.

Sonuç

Perovskit malzemeleri, verimlilikleri, maliyet etkinlikleri, esneklikleri, incelikleri, hareketlilikleri ve ışık emme yetenekleri sayesinde son derece değerlidir. Bu nedenle, bu malzemeler hakkında daha iyi ve daha derin bir anlayışa sahip olmak, hızlı bir şekilde ilerlediği için, bir sonraki nesil lazer ve LED teknolojileri için yeni olasılıkların kilidini açabilir.

Kuantum kuyularının yapısını ve davranışını kontrol ederek, araştırmacılar daha verimli enerji transferi, daha büyük stabilite ve geliştirilmiş ışık yayma özellikleri için yolu açmaya devam ediyorlar. Bu atılımlar, perovskitleri çeşitli endüstrilerde oyunu değiştirenler konumuna getirebilir ve araştırma ilerledikçe, temiz enerjiyi, gösterge teknolojilerini ve lazer uygulamalarını devrim niteliğinde değiştirme potansiyeline sahiptir; böylece malzeme biliminin odak noktası haline geliyor.

En iyi on güneş hisse senedinin listesi için buraya tıklayın.