Recent onderzoek aan het California Institute of Technology suggereert dat de interactie tussen elektronen en thermische trillingen op atomair niveau energie van LED’s ‘steelt’.
Gloeilampen worden in een steeds sneller tempo vervangen door lichtgevende dioden (LED’s) ― van autolampen via indicatielampjes tot algemene verlichting. LED’s hebben geen gloeidraad zoals conventionele ‘peertjes’ of kwikdamp zoals fluorescentielampen nodig; het licht wordt gegenereerd door een spanning over een halfgeleiderkristal aan te leggen. Elektronen combineren daarbij met ‘gaten’ (plaatsen in de kristalstructuur waar zich een elektron kan bevinden maar dat niet doet) en daarbij worden fotonen (lichtdeeltjes) uitgestraald.

Galliumnitride

De meeste LED’s maken gebruik van het halfgeleidermateriaal galliumnitride (GaN). Deze GaN-LED’s zijn betrouwbaar en veilig, maar hebben het nadeel dat het rendement snel afneemt wanneer de spanning wordt opgevoerd ― een verschijnsel dat efficiency droop wordt genoemd.

Deze rendementsafname treedt op wanneer elektronen aan nanometer-diepe quantumputten in het GaN ‘voorbijschieten’. Deze putten moeten echter elektronen ‘vangen’ zodat ze met gaten kunnen combineren. Wanneer elektronen echter teveel energie hebben om gevangen te worden, verlaten ze de LED zonder een bijdrage aan het uitgestraalde licht te leveren.

Thermische ‘ruis’

Met behulp van nieuwe computermethoden heeft een team onder leiding van professor Marco Bernardi galliumnitride op atomair niveau onderzocht, en tevens de manier waarop trillingen in de kristalstructuur — de ‘achtergrondruis’ ten gevolge van thermische bewegingen van atomen in een vaste stof — de elektronen in het materiaal beïnvloeden. Deze ‘ruis’ onttrekt veel sneller energie aan gaten dan aan elektronen — en het is dat verschil waardoor elektronen niet recombineren maar aan de gaten voorbijschieten.