Sorgenti luminose e rilevatori sono componenti chiave di innumerevoli dispositivi tecnologici oggi sul mercato. Ad esempio, i diodi ad emissione luminosa (LED) sono spesso utilizzati come fonte di luce nei display e in altre tecnologie, mentre i fotodiodi vengono utilizzati per rilevare la luce nei sensori, strumenti di comunicazione per immagini e fibra ottica.

Le sorgenti luminose ei rilevatori esistenti comprendono due distinti tipi di dispositivi con funzioni notevolmente diverse. Sviluppare un dispositivo in grado sia di generare che di rilevare la luce, però, potrebbe consentire la progettazione di tecnologie più piccole e più intelligenti.

Ricercatori dell'Università di Linköping in Svezia, L'Università di Shenzhen e diverse altre università in Cina hanno recentemente fabbricato un diodo efficiente in grado sia di emettere che di rilevare la luce. Questo nuovo dispositivo, presentato in un articolo pubblicato in Elettronica della natura , è stato costruito utilizzando un materiale perovskite lavorato in soluzione.

"Se avessimo un dispositivo a doppia funzione in grado di emettere e rilevare la luce in modo efficiente, potremmo usare un singolo dispositivo per fare il lavoro che in genere richiede due dispositivi convenzionali, " Feng Gao, ricercatore principale dello studio, ha detto a TechXplore. "Questo potrebbe non solo ridurre il costo dei dispositivi, ma facilitano anche l'integrazione di sorgenti luminose e rilevatori nei chip optoelettronici."

In uno studio precedente presentato in Fotonica della natura , Gao e i suoi colleghi hanno identificato un meccanismo noto come "effetto di passivazione" nei film di perovskite, quali sono i materiali emergenti utilizzati per costruire i LED. Hanno quindi progettato un passivatore efficiente (cioè, una sostanza in grado di riparare i difetti nei semiconduttori) e l'ha usata per migliorare l'efficienza quantica dei LED di perovskite nel vicino infrarosso di oltre il 21%.

"Sulla base di questo lavoro precedente, abbiamo studiato ulteriormente la funzione di rilevamento della luce di questi dispositivi e abbiamo scoperto che mostrano anche notevoli prestazioni di fotorilevamento, " Chunxiong Bao, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "Nel nostro recente studio, abbiamo concentrato i nostri sforzi sul miglioramento simultaneo delle prestazioni di emissione e rilevamento della luce dei diodi a base di perovskite, dimostrando la loro fattibilità come dispositivi "due in uno" efficienti per l'emissione e il rilevamento della luce."

Il materiale perovskite che Gao, Bao e i loro colleghi erano soliti costruire il loro diodo con diverse proprietà fotoelettriche uniche. Oltre a un'elevata efficienza quantica di fotoluminescenza (PLQE), ideale per lo sviluppo di LED ad alte prestazioni, il materiale ha un alto coefficiente di assorbimento, consentendo il fotorilevamento.

Il materiale mostra anche un'elevata mobilità del supporto e può quindi essere utilizzato per fabbricare pellicole di vari spessori. Finalmente, i ricercatori hanno osservato una grande sovrapposizione tra gli spettri di assorbimento e fotoluminescenza della perovskite. Ciò significa che il materiale può anche assorbire da solo la luce emessa.

Combinato, tutte queste proprietà consentono la realizzazione di LED e fotorivelatori altamente performanti, basato sulla stessa struttura di giunzione planare. In altre parole, queste proprietà sono ciò che alla fine ha permesso a Gao, Bao e i loro colleghi per creare un unico dispositivo in grado sia di emettere che di rilevare la luce.

È stato scoperto che il diodo che hanno sviluppato raggiunge l'emissione di luce con un'efficienza quantica esterna di oltre il 21% e un limite di rilevamento della luce nella scala dei subpicowatt. Può anche raggiungere velocità operative di decine di megahertz sia quando emette che quando rileva la luce, eseguendo notevolmente bene su ogni funzione. Inoltre, quando viene utilizzato come rilevatore, il dispositivo è sensibile anche alla luce emessa da se stesso.

"È molto difficile per i semiconduttori elaborati in soluzione convenzionali utilizzare come dispositivo a doppia funzione ad alte prestazioni, " Bao ha spiegato. "Prendiamo ad esempio semiconduttori organici e punti quantici colloidali. I semiconduttori organici mostrano sempre una sovrapposizione molto piccola tra gli spettri di assorbimento e di fotoluminescenza, quindi mostrano un debole assorbimento alla luce emessa dallo stesso materiale, mentre i LED colloidali a punti quantici sono sempre basati su una pellicola di punti quantici molto sottile a causa della proprietà di trasporto del vettore molto bassa, quindi il loro assorbimento della luce è molto debole."

I ricercatori sono tra i primi a introdurre un diodo a base di perovskite che può funzionare contemporaneamente come emissione di luce e dispositivo di rilevamento della luce, passare da una funzione all'altra e tuttavia eseguire notevolmente bene in entrambe. Nel futuro, il dispositivo che hanno sviluppato potrebbe essere utilizzato per creare dispositivi elettronici più piccoli che possono essere utilizzati sia come sorgenti luminose che come rilevatori. Nella loro carta, Gao, Bao e i loro colleghi delineano due possibili applicazioni per il diodo, mostrando come può essere utilizzato per costruire un sensore cardiaco monolitico e nelle comunicazioni ottiche bidirezionali.

"Ora abbiamo in programma di migliorare ulteriormente la velocità di risposta del dispositivo e la durata operativa e di studiare le prestazioni di rilevamento del LED di perovskite a luce visibile per estendere l'applicazione alla gamma di luce visibile, " ha detto Bao.

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