Un effetto fisico noto come superiniezione è alla base dei moderni diodi emettitori di luce (LED) e laser. Per decenni si è creduto che questo effetto si verificasse solo nelle eterostrutture di semiconduttori, cioè strutture composte da due o più materiali semiconduttori. I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca hanno scoperto che la superiniezione è possibile nelle omostrutture, che sono fatti di un unico materiale. Questo apre prospettive completamente nuove per lo sviluppo delle sorgenti luminose. Il giornale è uscito il 21 febbraio sulla rivista Scienza e tecnologia dei semiconduttori .

Sorgenti luminose a semiconduttore, come laser e LED, sono alla base della tecnologia moderna. Consentono stampanti laser e Internet ad alta velocità. Ma solo 60 anni fa, nessuno immaginerebbe che i semiconduttori vengano utilizzati come materiali per sorgenti luminose intense. Il problema era che per generare luce, tali dispositivi richiedono la ricombinazione di elettroni e lacune, i portatori di carica liberi in qualsiasi semiconduttore. Maggiore è la concentrazione di elettroni e lacune, più spesso si ricombinano, rendendo la sorgente luminosa più luminosa. Però, per molto tempo, nessun dispositivo a semiconduttore potrebbe essere fabbricato per fornire una concentrazione sufficientemente elevata sia di elettroni che di lacune.

La soluzione è stata trovata negli anni '60 da Zhores Alferov e Herbert Kroemer. Hanno proposto di utilizzare eterostrutture, o strutture a "sandwich", costituito da due o più semiconduttori complementari anziché uno solo. Se si posiziona un semiconduttore tra due semiconduttori con bandgap più ampi e si applica una tensione di polarizzazione diretta, la concentrazione di elettroni e lacune nello strato intermedio può raggiungere valori di ordini di grandezza superiori a quelli degli strati esterni. Questo effetto, noto come superiniezione, alla base dei moderni laser e LED a semiconduttore. La sua scoperta è valsa ad Alferov e Kroemer il Premio Nobel per la fisica nel 2000.

Però, due semiconduttori arbitrari non possono creare un'eterostruttura praticabile. I semiconduttori devono avere lo stesso periodo del reticolo cristallino. Altrimenti, il numero di difetti all'interfaccia tra i due materiali sarà troppo alto, e non verrà generata luce. In un modo, sarebbe simile al tentativo di avvitare un dado su un bullone il cui passo della filettatura non corrisponde a quello del dado. Poiché le omostrutture sono composte da un solo materiale, una parte del dispositivo è una naturale estensione dell'altra. Sebbene le omostrutture siano più facili da fabbricare, si riteneva che le omostrutture non potessero supportare la superiniezione e quindi non costituissero una valida base per pratiche sorgenti luminose.

Igor Khramtsov e Dmitry Fedyanin dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca hanno fatto una scoperta che cambia drasticamente la prospettiva su come possono essere progettati i dispositivi che emettono luce. I fisici hanno scoperto che è possibile ottenere la superiniezione con un solo materiale. Inoltre, è possibile utilizzare la maggior parte dei semiconduttori noti.

"Nel caso di silicio e germanio, la superiniezione richiede temperature criogeniche, e ciò mette in dubbio l'utilità dell'effetto. Ma nel diamante o nel nitruro di gallio, può verificarsi una forte superiniezione anche a temperatura ambiente, " Ha detto il dottor Fedyanin. Ciò significa che l'effetto può essere utilizzato per creare dispositivi per il mercato di massa. Secondo il nuovo documento, la superiniezione può produrre concentrazioni di elettroni in un diodo a diamante che sono 10, 000 volte superiori a quelli precedentemente ritenuti possibili. Di conseguenza, il diamante può servire come base per LED ultravioletti migliaia di volte più luminosi di quanto previsto dai calcoli teorici più ottimistici. "Sorprendentemente, l'effetto della superiniezione nel diamante è da 50 a 100 volte più forte di quello utilizzato nella maggior parte dei LED e dei laser a semiconduttore del mercato di massa basati su eterostrutture, " ha sottolineato Khramtsov.

I fisici hanno sottolineato che la superiniezione dovrebbe essere possibile in un'ampia gamma di semiconduttori, dai semiconduttori convenzionali a banda larga ai nuovi materiali bidimensionali. Questo apre nuove prospettive per la progettazione di blu altamente efficienti, Viola, ultravioletto, e LED bianchi, così come sorgenti luminose per la comunicazione wireless ottica (Li-Fi), nuovi tipi di laser, trasmettitori per Internet quantistico, e dispositivi ottici per la diagnosi precoce delle malattie.