I ricercatori della UC Santa Barbara continuano a spingere un po' oltre i confini del design dei LED con un nuovo metodo che potrebbe aprire la strada a display a LED e tecnologie di illuminazione più efficienti e versatili.

In un articolo pubblicato su Fotonica della natura , Il professore di ingegneria elettrica e informatica dell'UCSB Jonathan Schuller e i suoi collaboratori descrivono questo nuovo approccio, che potrebbe consentire a un'ampia varietà di dispositivi LED, dalle cuffie per realtà virtuale all'illuminazione automobilistica, di diventare più sofisticati ed eleganti allo stesso tempo.

"Quello che abbiamo mostrato è un nuovo tipo di architettura fotonica che non solo consente di estrarre più fotoni, ma anche per indirizzarli dove vuoi, " ha detto Schuller. Questo ha migliorato le prestazioni, Lui ha spiegato, si ottiene senza i componenti di imballaggio esterni che vengono spesso utilizzati per manipolare la luce emessa dai LED.

La luce nei LED viene generata nel materiale semiconduttore quando eccitato, gli elettroni caricati negativamente che viaggiano lungo il reticolo cristallino del semiconduttore incontrano buchi caricati positivamente (assenza di elettroni) e passano a uno stato di energia inferiore, rilasciando un fotone lungo il percorso. Nel corso delle loro misurazioni, i ricercatori hanno scoperto che una quantità significativa di questi fotoni veniva generata ma non veniva fuori dal LED.

"Ci siamo resi conto che se si osservava la distribuzione angolare del fotone emesso prima del patterning, tendeva a raggiungere il picco in una certa direzione che normalmente sarebbe intrappolata all'interno della struttura del LED, "Ha detto Schuller. "E così ci siamo resi conto che si poteva progettare attorno a quella luce normalmente intrappolata usando i concetti tradizionali della metasuperficie".

Il design su cui si sono stabiliti consiste in una serie di nanobarre di nitruro di gallio (GaN) lunghe 1,45 micrometri su un substrato di zaffiro, in cui sono stati incorporati pozzi quantici di nitruro di indio gallio, per confinare elettroni e lacune e quindi emettere luce. Oltre a consentire a più luce di lasciare la struttura del semiconduttore, il processo polarizza la luce, che il co-autore principale Prasad Iyer ha detto, "è fondamentale per molte applicazioni."

Antenne su nanoscala

L'idea del progetto è venuta a Iyer un paio di anni fa mentre stava completando il suo dottorato nel laboratorio di Schuller, dove la ricerca è focalizzata sulla tecnologia fotonica e sui fenomeni ottici a scale di lunghezza d'onda inferiori. Le metasuperfici, superfici ingegnerizzate con caratteristiche su scala nanometrica che interagiscono con la luce, erano al centro della sua ricerca.

"Una metasuperficie è essenzialmente un array di antenne a lunghezza d'onda inferiore, " ha detto Iyer, che in precedenza stava studiando come guidare i raggi laser con le metasuperfici. Ha capito che le metasuperfici tipiche si basano sulle proprietà altamente direzionali del raggio laser in ingresso per produrre un raggio in uscita altamente diretto.

LED, d'altra parte, emettono luce spontanea, al contrario di quello stimolato dal laser, luce coerente.

"L'emissione spontanea campiona tutti i possibili modi in cui il fotone può andare, "Schüller ha spiegato, quindi la luce appare come uno spruzzo di fotoni che viaggiano in tutte le direzioni possibili. La domanda era:potevano, attraverso un'attenta progettazione e fabbricazione su scala nanometrica della superficie del semiconduttore, radunare i fotoni generati nella direzione desiderata?

"Le persone hanno fatto modelli di LED in precedenza, "Iyer ha detto, ma quegli sforzi invariabilmente dividono in più direzioni, con bassa efficienza. "Nessuno aveva progettato un modo per controllare l'emissione di luce da un LED in un'unica direzione".

Posto giusto, Momento giusto

Era un enigma che non avrebbe trovato soluzione, Iyer ha detto, senza l'ausilio di un team di collaboratori esperti. Il GaN è eccezionalmente difficile da lavorare e richiede processi specializzati per produrre cristalli di alta qualità. Solo pochi posti al mondo hanno l'esperienza per fabbricare il materiale con un design così esigente.

Fortunatamente, UC Santa Barbara, sede del Solid State Lighting and Energy Electronics Center (SSLEEC), è uno di quei posti Con l'esperienza di SSLEEC e la struttura di nanofabbricazione di livello mondiale del campus, i ricercatori hanno progettato e modellato la superficie del semiconduttore per adattare il concetto di metasuperficie per l'emissione di luce spontanea.

"Siamo stati molto fortunati a collaborare con gli esperti mondiali nella realizzazione di queste cose, " ha detto Schuller.