LED'ler ve Lazerler – Perovskitlere İlişkin Yeni Anlayış Performans Ölçümlerini Alt Üst Edebilir

Bilim insanları, elektronik, enerji depolama, lazerler, optoelektronik, glikoz sensörleri ve daha fazlasını kapsayan geniş uygulamalara sahip olan bu malzemeyi daha iyi anlamak için perovskite daha derin bir dalış yapıyor. Peki bu tam olarak nedir?

Perovskit, CaTiO₃ kristal yapısına sahip veya ABX3 formülüne sahip kalsiyum, titanyum ve oksijenden oluşan doğal bir mineraldir. İlk olarak 1839'da Rusya'da keşfedildi. Perovskit mineraliyle aynı kristal yapıya sahip bir malzeme sınıfı, perovskit malzemeler olarak da bilinir.

Kaynak: Fabre Mineralleri

Ferroelektrik, dielektrik, piezoelektrik ve piroelektrik davranış gibi olağanüstü fiziksel özellikler ve perovskitin katalitik aktivitesi ve oksijen taşıma kabiliyeti gibi kimyasal özellikleri, onları malzeme bilimindeki en önemli yapı sınıflarından biri yapar. Bu, onları yakıt hücreleri, bellek aygıtları ve fotovoltaiklerde uygulamalar için potansiyel bir aday yapar.

Güneş ışığını elektriğe dönüştürmek için güneş hücrelerinde, temiz enerji elde edilmesinde ve organik kirleticilerin parçalanmasında da kullanılabilirler.

Perovskitin birçok farklı endüstride ilerlemeye yardımcı olma potansiyeli göz önüne alındığında, bilim insanlarının onu daha iyi anlamaya çalışması mantıklıdır.

Piezoelektrik malzemeler hakkında her şeyi öğrenmek için buraya tıklayın.

Daha İyi Kontrol İçin Perovskit'i Atomik Düzeyde Anlamak

Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi'nden araştırmacılar, Ulusal Bilim Vakfı'nın desteğiyle, moleküler düzeyde inceleyerek katmanlı hibrit perovskitleri (LHP'ler) oluşturmanın bir yolunu keşfettiler.

Bu atılım, LHP'lerin ışık yayma özellikleri üzerinde benzeri görülmemiş bir kontrol sağlıyor ve lazer ve LED teknolojilerinde önemli ilerlemelere yol açabilir. Ayrıca, fotovoltaik cihazlarda kullanım için diğer malzemelerin mühendisliği için de umut vadediyor.

Katmanlı hibrit perovskitlere (LHP'ler) göre araştırma, yeni nesil enerji ve fotonik uygulamalar için umut vadeden yarı iletkenler olarak ortaya çıkmıştır. Burada, kuantum kuyularının (QW) dağılımını, boyutunu ve yönelimini kontrol etmek son derece önemlidir.

LHP'ler çok ince perovskit yarı iletken malzeme tabakalarından oluşur. Bu tabakalar birbirlerinden ince organik "aralayıcı" katmanlarla ayrılır.

Çoklu perovskit tabakalarından ve "ara parça" katmanlarından oluşan bu ince filmlerin elektrik yükünü ışığa verimli bir şekilde dönüştürebildiği göz önüne alındığında, LHP'ler yıllardır araştırma topluluğu için önemli bir ilgi konusu olmuştur. Ancak, bunların performans özelliklerini kontrol etmek için nasıl tasarlanacağı konusunda hala sınırlı bir anlayış bulunmaktadır.

Bunları anlamak için, 'ara' katmanlar arasına sıkıştırılmış yarı iletken malzeme tabakaları olan kuantum kuyularından başlamamız gerekir.

Bunlar LHP'lerde oluşan katmanlardır. Ve iki atom kalınlığındaki bir kuantum kuyusu, beş atom kalınlığında olandan daha yüksek enerjiye sahiptir.

Moleküler düzeyde enerji yüksek enerjili yapılardan düşük enerjili yapılara doğru aktığı için, enerjinin verimli bir şekilde akmasını sağlayacak şekilde iki ve beş atom kalınlığındaki kuantum kuyuları arasında üç ve dört atom kalınlığında kuantum kuyularına ihtiyacımız var.

"Temel olarak enerjinin aşağıya doğru kademeli olarak akabileceği bir eğime sahip olmak istersiniz."

– Makalenin ortak yazarı ve NC State'te fizik profesörü olan Kenan Gündoğdu

Ancak, insanlar LHP'leri incelerken bir anormallikle karşılaşmaya devam ettiler. Anormallik, X-ışını kırınımıyla gözlemlenen bir LHP örneğindeki kuantum kuyularının boyut dağılımıdır ve bu, optik spektroskopi kullanılarak tespit edilenden farklıdır.

Makalenin ilgili yazarı ve NC State Üniversitesi'nde malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü olan Aram Amassian, kırınımın kuantum kuyularının iki atom kalınlığında olduğunu ve 3 boyutlu bir toplu kristalin parçası olduğunu nasıl gösterebileceğini gösterdi. Bu arada, spektroskopi, üç boyutlu toplu fazın varlığına ek olarak kuantum kuyularının iki, üç ve dört atom kalınlığında olduğunu ortaya çıkarabilir.

Bu nedenle ekip şu sorulara yanıt aramaya koyuldu: İkisi arasında neden bu kopukluk var ve LHP'lerdeki kuantum kuyularının boyutu ve dağılımı nasıl kontrol edilebilir?

Ekip, deneyler yoluyla nanoplateletlerin (NPL'ler) kilit oyuncu olduğunu keşfetti. NPL'ler, araştırmacıların LHP'leri oluşturmak için kullandıkları çözeltinin yüzeyinde kendiliğinden oluşan bireysel perovskit malzeme tabakalarıdır.

Amassian, nanoplateletlerin altlarında oluşan katmanlı malzemeler için esasen şablon görevi gördüğünü belirterek, nanoplateletlerin atomik kalınlığının altındaki LHP'nin kalınlığını belirlediğini belirtti.

Ancak nanoplateletler stabil değildir ve kalınlıkları zamanla artmaya devam eder ve zamanla yeni atom katmanları eklenir.

"Sonuç olarak nanoplatelet o kadar kalınlaşır ki üç boyutlu bir kristal haline gelir."

– Amasyalı

Yani, anormallik, nanoplateletleri değil, tabakaların istiflenmesini tespit eden kırınımdan kaynaklanıyordu, optik spektroskopi ise izole tabakaları tespit ediyor. Şunu ekledi:

"Heyecan verici olan şey, nanoplateletlerin büyümesini kontrollü bir şekilde durdurabildiğimizi, temelde LHP filmlerindeki kuantum kuyularının boyutunu ve dağılımını ayarlayabildiğimizi keşfetmemizdir."

Araştırmacılar bunu yaparak yüksek tekrarlanabilirlik, düşük eşik ve ortam fotostabilitesi için gerekli olan mükemmel enerji kademelerine ulaşabilirler.

Bu, malzemenin lazer ve LED uygulamaları için yük ve enerjiyi yönlendirmede hızlı ve oldukça verimli olması anlamına geliyor.

Nanoplateletlerin LHP'lerde perovskit tabakalarının oluşumunda kritik bir rol oynamasıyla birlikte, araştırmacılar NPL'lerin güneş pilleri ve diğer fotovoltaik teknolojilerde kullanılanlar da dahil olmak üzere diğer perovskit malzemelerin yapısını ve özelliklerini değiştirmek için kullanılıp kullanılamayacağını araştırmaya gittiler.

"Nanoplatilerin diğer perovskit malzemelerde de benzer bir rol oynadığını ve bu malzemelerin istenen yapıyı geliştirmek, fotovoltaik performanslarını ve kararlılıklarını iyileştirmek için tasarlanabileceğini bulduk."

– Milad Abolhasani, Ortak yazar ve NC State'te ALCOA Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Profesörü

Bu nedenle ekip, NLP'leri kullanarak 3 boyutlu perovskitlerin faset yönelimini kontrol etti ve geniş bant aralıklı güneş hücrelerinin kararlılığını ve verimliliğini artırdı.

Perovskitlere İlişkin Ayrıntılı Bilgi İçin Bilgisayar Simülasyonlarının Kullanılması

Güneş hücreleri veya fotovoltaik (PV) hücreler, çevresel faydaları sayesinde çok popülerlik kazanıyor. Sonuçta güneş enerjisi temiz, yenilenebilir ve sera gazı emisyonu üretmiyor. Güneş ışığı da sınırsız miktarda mevcut olduğundan güneş hücreleriyle kullanımı kolaylaşıyor.

Ayrıca, maliyetleri 70'dan bu yana %2010'e kadar önemli ölçüde düştü, bu da onları uygun fiyatlı hale getiriyor. Teknolojideki gelişmeler performanslarını ve kullanım ömürlerini daha da iyileştirdi.

Bununla birlikte, küresel güneş pili pazarının şu noktaya ulaşması bekleniyor: $ 730.74 milyar önümüzdeki on yıl içinde.

Güneş pili temel olarak güneş ışığını doğrudan elektriğe dönüştüren bir cihazdır. Bunun için silikon gibi malzemeler kullanır, ancak bilim insanları daha verimli ve kararlı malzemeler arıyor ve perovskitlerin umut vadeden bir alternatif olduğu görülüyor.

Bilim insanları bir süredir perovskit güneş teknolojisi üzerinde çalışıyor ve gelişmeler verimlilik rekorları kırmasına yol açtı. Güneş hücrelerinde, perovskit'ler silikonla birlikte çalışarak güneş spektrumunun daha fazlasını kullanır ve buna karşılık hücre başına daha fazla elektrik üretir.

İsveç'teki Chalmers Teknoloji Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, bilgisayar simülasyonları ve makine öğrenimini kullanarak, perovskit malzemelerin nasıl çalıştığına dair yeni bilgiler edinerek verimli ve kararlı optoelektronik cihazlar tasarlamayı başardılar.

Makine öğrenimi, araştırmacıların daha önce standart yöntemlerle mümkün olmayan daha büyük sistemleri ve daha uzun vadeli çalışmaları incelemek için makine öğrenimini kullanmasıyla bilim camiasında giderek daha fazla ilgi görüyor.

Bu nedenle araştırma ekibi, 2 boyutlu olanlara göre daha kararlı olan bir dizi 3 boyutlu perovskit malzemeyi inceledi.

Malzemeyi bilgisayar simülasyonlarında haritaladılar ve ardından bir deneyde sonuçlara tam olarak neyin yol açtığına dair ayrıntılı bir fikir edinmek için farklı senaryolara tabi tuttular. Ekip, daha önce olduğundan çok daha geniş ve ayrıntılı bir genel bakış elde edebildi; bu özellikle burada önemli çünkü bu malzemenin çok ince katmanlarında her katman farklı davranıyor ve bunu deneysel olarak tespit etmek son derece zor.

Araştırma ekibinin bir üyesi olan Profesör Paul Erhart, onların "2 boyutlu perovskitlerin nasıl çalıştığına dair çok daha fazla bilgi edinmelerine" yardımcı oldu.

2 boyutlu perovskit malzemelerde, üst üste istiflenmiş ve organik moleküllerle ayrılmış inorganik katmanlar bulunur.

"Keşfettiğimiz şey, organik bağlayıcıların seçimiyle yüzey katmanlarındaki atomların nasıl hareket ettiğini ve bunun perovskit katmanlarının derinliklerindeki atom hareketlerini nasıl etkilediğini doğrudan kontrol edebileceğinizdir. Bu hareket optik özellikler için çok önemli olduğundan, bu bir domino etkisi gibidir."

– Paul Erhart

Ortak yazara göre, elde edilen önemli içgörü, 2 boyutlu perovskit malzemelerin kararlılığının nereden geldiğini anlama fırsatı veriyor.

“(Bu,) hangi bağlayıcıların ve boyutların malzemeyi hem daha kararlı hem de aynı zamanda daha verimli hale getirebileceğini tahmin etmeye yardımcı olabilir.”

– Ortak yazar Julia Wiktor

Wiktor, bir sonraki adımda ekibin "daha da karmaşık sistemlere ve özellikle cihazların işlevi için temel olan arayüzlere geçeceğini" sözlerine ekledi.

Lazer ve LED Teknolojilerindeki Gelişmeler

Güneş pilleri aracılığıyla temiz enerji üretimi, fotodedektörler ve sensörler gibi optoelektronik cihazlar ve bellek cihazları da dahil olmak üzere birçok yüksek teknoloji alanındaki muazzam potansiyeli sayesinde perovskitler konusunda çok fazla gelişme kaydediliyor.

Daha da önemlisi, perovskit malzemelerin anlaşılmasındaki ilerleme ve LHP'ler üzerine yapılan araştırmalar, hassasiyet ve verimliliğin en önemli olduğu yeni nesil lazer cihazları ve ekranlar, aydınlatma ve gelişmiş görüntüleme teknolojileri için etkileri olan LED teknolojisi için oyunun kurallarını değiştirebilir.

Bu malzemelerin ince ayarını yaparak, fotostabilitesi artırılmış, daha verimli lazerler ve enerji tüketimi azaltılmış, yüksek parlaklıkta LED'ler elde edebiliriz.

Hızla gelişen teknoloji dünyasında lazerler ve LED'ler, iletişim, tıbbi cihazlar, imalat ve enerji tasarruflu aydınlatma gibi çok çeşitli sektörlerde temel bileşenler haline gelmiştir.

Basitçe söylemek gerekirse, bu teknolojiler modern dünyayla etkileşimimizi dönüştürdü. Perovskitlerin ve kuantum kuyusu yapılarının kullanımındaki son atılımlar, bilim insanlarının lazer ve LED teknolojisini ilerletmek için keşfettiği birçok alandan sadece biri.

Lazer ve LED teknolojilerindeki son gelişmelerden bazıları şunlardır:

Lazer diyotlar daha düşük maliyet, daha yüksek ışık çıkışı, daha iyi ışın mesafesi ve verimlilik vaat ediyor. Bu faydalar nedeniyle, optik veri depolamanın önemli bir bileşeni haline geliyorlar. Lazer diyotların minyatürleştirilmesi, otonom araçlar için LiDAR sistemlerinde de ilerlemelere yol açtı.

Bu arada ultra hızlı lazerler, saniyenin katrilyonda biri olan femtosaniye aralığında darbeler yayar. Bu, ısı hasarına neden olmadan hassas malzeme işlemeye olanak tanır ve bu nedenle, özellikle moleküler ve atom düzeyindeki fenomenleri incelemek için tıbbi cerrahi ve bilimsel araştırmalarda giderek daha fazla kullanılmaktadır.

Makine öğrenimi, yapay zeka ve sensörlerin bir araya getirilmesiyle otonom olarak çalışan, verimliliği artıran ve daha hassas olan daha gelişmiş lazerler yaratılıyor.

Lazer kaynağının seçici bir şekilde malzemeleri birleştirmek ve karmaşık nesneler oluşturmak için kullanıldığı lazer destekli 3B baskı, lazer teknolojisi alanında bir diğer önde gelen trenddir. Eklemeli üretimde, özellikle fiber lazerler, yüksek güçleri, verimlilikleri ve minimum kayıpla uzun mesafelere ışın iletme yetenekleri sayesinde popülerlik kazanmaktadır.

Lazerler ayrıca aşındırma için giderek daha fazla kullanılıyor. Bu amaçla, fiber, CO2 ve kristalden diyot lazerlere ve diyot pompalı katı hal lazerlerine kadar her türlü lazer kullanılıyor. Bir örnekte, Flinders Üniversitesi'nden araştırmacılar yüzeyleri düşük güçlü lazerlerle değiştirdiler — bu da genellikle veri depolama için pahalı, yüksek güçlü lazerler gerektirir.

Başka bir araştırmamızda, araştırmacıların manyetik olmayan bir malzemeyi yüksek frekanslı lazer radyasyonuna maruz bırakarak oda sıcaklığında manyetik etki ürettiklerini, bunun da daha enerji verimli ve daha hızlı bilgisayarlar ve elektronikte devrim yaratma potansiyeline sahip olduğunu bildirmiştik.

Yeni lazer cihazları o kadar gelişmiş hale geldi ki artık bir kişinin cildini gerçek zamanlı olarak analiz edebiliyorlar. Ayrıca belirli bölgelerin hassas bir şekilde hedeflenmesine olanak sağlıyorlar. Üroloji alanındaki en dikkat çekici lazerlerden biri olan holmiyum (YAG) lazeri yakın zamanda darbe modülasyon teknolojisiBu yeni teknoloji hem darbeli hem de sürekli dalga modlarına izin veriyor.

Lazerlerin evrimi bize, son derece özelleştirilebilir, güçlü optik sınırlama ve gelişmiş ışık-madde etkileşimleri sunan mikrolazerleri de kazandırdı.

LED alanında ise kullanım ömrü önemli ölçüde artmış olup, bu da enerji tasarrufuna katkı sağlamaktadır.

LED teknolojisinin uygulanması özellikle otomotiv aydınlatmasında ivme kazanıyor, burada iyileştirilmiş görünürlük, enerji verimliliği ve dayanıklılık güvenliği artırıyor. Bu arada, sokak aydınlatmasında LED'ler daha parlak aydınlatma ve önemli enerji tasarrufu sağlıyor.

Burada nanoteknoloji, LED verimliliğini önemli ölçüde etkileme potansiyelini gösteriyor. Kuantum noktaları, görünürlük spektrumu boyunca ışık yaymak üzere ayarlanabilen benzersiz özelliklere sahip son derece küçük kristallerdir ve renk için daha fazla seçenek sunar. QD-LED'ler gelişmiş renk doğruluğu ve parlaklık sunar ve bu nedenle TV'lerde ve monitörlerde yaygınlaşmaktadır.

Geleneksel LED'lerin daha küçük versiyonları olan mini ve mikro LED'ler ise ekranlarda daha yüksek çözünürlük, daha iyi kontrast ve enerji verimliliği sağlıyor. Bunlar, çok daha iyi parlaklık ve OLED'lerden daha uzun tepki süreleri.

Araştırmacılar, LED'lere sensörler ve bağlantı özellikleri entegre ederek, kullanıcı tercihlerine veya çevre koşullarına göre parlaklığı, rengi ve zamanlamayı ayarlayan 'akıllı aydınlatma' sistemleri de üretiyorlar.

Ücrete Öncülük Eden Şirketler

Şimdi, perovskit malzemelerdeki atılımlardan faydalanabilecek, hızla ilerleyen lazerler, LED'ler ve temiz enerji alanlarındaki potansiyel yatırım fırsatlarına bir göz atalım.

First Solar (FLR + 3.46%) ince film fotovoltaik (PV) çözümlerine odaklanan güneş enerjisi teknolojisinde liderdir. Hisseleri 207.75 dolardan işlem görerek YTD'de %19.35 artışla piyasa değeri 22 milyar dolardır. Şirket 2Ç24'te 1.01 milyar dolarlık satış bildirirken net geliri iki katından fazla artarak 349.4 milyon dolara çıktı. O zamanlar CEO Mark Widmar, yatırımcıların finansman kararları almak için politikanın daha net hale gelmesini beklemeleri nedeniyle güneş enerjisi şirketlerinin sermayeye erişimde kısıtlamalarla karşı karşıya olduğunu söylemişti.

Bu arada, Lumentum Holding (LITE + 3.02%) iletişim, ticari ve endüstriyel uygulamalar için lazerlerin tasarımı ve üretimiyle ilgilenmektedir. Bu 4.7 milyar dolarlık piyasa değerine sahip şirketin hisseleri, 31.21 dolardan işlem görürken YTD'de %69.43 arttı.

O zaman orada Keskinliği Markalar, Inc (AYI -0.61%)LED aydınlatma sistemlerinde lider olan 9.38 milyar dolarlık piyasa değerine sahip bu şirketin hisseleri %48.9 arttı ve şu anda 305 dolardan işlem görüyor.

Şimdi, bu alandaki en iyi performans gösterenlerden birine daha yakından bakalım.

Tutarlı, Inc. (YÖK + 1.05%)

Lazer tabanlı teknoloji alanında önemli bir oyuncu olan Coherent, malzeme işleme, elektronik ve biyomedikal dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalar için lazerler sağlar. Hisseleri bu yıl %132'den fazla yükseldi; şu ana kadar 105.10 dolardan işlem gördü, bu da piyasa değerini 15.6 milyar dolara çıkarıyor. EPS'si (TTM) -1.85 ve P/E'si (TTM) -54.79'dur.

Şirket, mali dördüncü çeyreğinde rapor 1.314 Haziran 4.708'te sona eren tam yıl için 30 milyar dolar gelir ve 2024 milyar dolar, sırasıyla %32.9 ve %30.9 GAAP brüt marjları. Geçici CFO Rich Martucci'ye göre büyüme, "esas olarak Datacom alıcı-verici işimizdeki devam eden AI ile ilgili güçten kaynaklandı."

Son zamanlarda şirket tanıttı endüstri standartlarından %15 daha fazla güç verimliliği sunmak üzere tasarlanmış, yüksek verimli sürekli dalga (CW) dağıtılmış geri bildirim (DFB) lazerlerinin yeni bir serisi. Bu lazerler, yapay zeka odaklı veri merkezlerinin ihtiyaç duyduğu artan bant genişliğine olan talebi karşılar. Bu yılın başlarında, Coherent ayrıca başlattı İnce film güneş hücrelerinin ultra hassas üretimini sağlayan HyperRapid NXT endüstriyel pikosaniye lazer.

Sonuç

Perovskit malzemeler, verimlilikleri, maliyet etkinliği, esneklikleri, incelikleri, hareket kabiliyetleri ve ışık emme kabiliyetleri sayesinde son derece değerlidir. Bu nedenle, hızla ilerleyen bu malzemeler hakkında daha iyi ve daha derinlemesine bir anlayış kazanmak, yeni nesil lazer ve LED teknolojileri için yeni olasılıkların kilidini açmamıza yardımcı olabilir.

Araştırmacılar, kuantum kuyularının yapısını ve davranışını kontrol ederek daha verimli enerji transferi, daha fazla kararlılık ve geliştirilmiş ışık yayma özellikleri için yolu daha da açıyor. Bu atılımlar, perovskitleri çeşitli endüstrilerde oyun değiştiriciler olarak konumlandırabilir ve araştırmalar devam ettikçe, temiz enerji, görüntüleme teknolojileri ve lazer uygulamalarında devrim yaratma potansiyeline sahipler ve bu da onları malzeme biliminin odak noktası haline getiriyor.

En iyi on güneş enerjisi hissesinin listesi için buraya tıklayın.