L'emissione di luce a banda larga nell'infrarosso si è rivelata di fondamentale importanza per un'ampia gamma di applicazioni che includono la qualità degli alimenti e il monitoraggio di prodotti/processi, raccolta differenziata, rilevamento e monitoraggio ambientale, imaging multispettrale nel settore automobilistico, sicurezza e protezione. Con l'avvento dell'IoT e la crescente domanda di aggiungere più funzionalità ai dispositivi portatili (come orologi intelligenti, telefoni cellulari, ecc.) l'introduzione di spettrometri su chip per il monitoraggio della salute, ispezione della qualità degli alimenti di rilevamento degli allergeni, per dirne alcuni, dovrebbe accadere presto. Ma per avere tali funzionalità facilmente integrate e implementate nell'elettronica di consumo di produzione di massa, devono essere soddisfatti diversi presupposti. Più specificamente, la sorgente luminosa deve essere compatta, altamente efficiente e idealmente CMOS integrato per garantire una produzione a basso costo e ad alto volume.

Finora, emettitori di luce a banda larga nell'infrarosso a onde corte (una porzione dello spettro infrarosso tra 1-2,5 um) in cui funzionano queste applicazioni di cui sopra, si basano sulla tecnologia del secolo precedente, che in realtà si basa su sorgenti luminose ad incandescenza, cioè radiatori corpo nero. Anche se il loro costo di produzione è basso, la loro funzionalità si basa sul principio del riscaldamento, che non consente la miniaturizzazione di tali fonti, finendo in fattori di forma voluminosi. Inoltre, la dissipazione del calore diventa un problema importante quando si tratta di integrazione in sistemi portatili compatti. Ciò che rende le cose ancora peggiori è il fatto che queste fonti sono incontrollabilmente a banda larga, emettendo attraverso uno spettro molto più ampio del solito necessario, il che significa che sono altamente inefficienti poiché la maggior parte della luce generata è essenzialmente inutile.

Per affrontare questa sfida, I ricercatori ICFO Dr. Santanu Pradhan e Dr. Mariona Dalmases guidati dal Prof. ICREA presso ICFO Gerasimos Konstantatos, ha sviluppato una nuova classe di emettitori di luce a stato solido a banda larga basati sulla tecnologia del film sottile CQD (colloidal quantum dot). I risultati del loro studio sono stati pubblicati sulla rivista Materiale avanzato .

Ora, I CQD offrono i vantaggi della processabilità della soluzione a basso costo, facile integrazione CMOS e bandgap facilmente sintonizzabile. Sfruttando queste proprietà, I ricercatori ICFO hanno progettato e ingegnerizzato un multi-stack di CQD di diverse dimensioni, che ha dimostrato di essere in grado di emettere luce con uno spettro che dipende dalla dimensione dei QD emettitori. La sequenza e lo spessore degli strati sono stati ottimizzati per massimizzare l'efficienza di fotoconversione di questo tipo di film sottile a nanofosfori che converte verso il basso. Le pile sono state costruite sopra un substrato di plastica flessibile che è stato poi incollato sopra un LED che emette nel campo del visibile. Questo LED emette luce visibile che viene poi assorbita e convertita dai CQD in luce infrarossa con uno spettro desiderato e, ma ancora più importante, con un'eccezionale efficienza di conversione dei fotoni del 25%. Hanno dimostrato che la forma dello spettro di emissione può essere sintonizzata scegliendo le popolazioni appropriate di dimensioni CQD. Per questo caso particolare, i ricercatori hanno sviluppato una sorgente luminosa a banda larga che copre un intervallo di emissione compreso tra 1100 e 1700 nm con un FWHM di 400 nm.

Quindi, sfruttando la natura conduttiva dei film sottili CQD, i ricercatori sono stati in grado di fare un ulteriore passo avanti nel loro esperimento e anche di costruire LED attivi a banda larga azionati elettricamente con un FWHM superiore a 350 nm e un'efficienza quantica del 5%. Tale risultato rappresenta il primo LED a infrarossi a onde corte (SWIR) a banda larga monolitico alimentato elettricamente che non ha bisogno di fare affidamento su sorgenti luminose esterne per l'eccitazione. Questa è una scoperta notevole poiché le attuali tecnologie disponibili basate su semiconduttori III-V non solo sono incompatibili con CMOS, ma richiedono anche l'uso di più chip InGaAs sotto forma di array per fornire uno spettro a banda larga, che aggiunge complessità, aumento dei costi e del volume del dispositivo.

Finalmente, dimostrare quanto questa tecnologia possa essere adatta per applicazioni di mercato basate su tecniche di spettroscopia, il team di ricercatori ha cercato diversi esempi di casi reali che potrebbero essere buoni candidati per tale tecnologia. Hanno preso la loro configurazione della sorgente luminosa CQD e mettendola insieme a spettrometri disponibili in commercio, sono stati in grado di distinguere tra diversi tipi di plastica, liquidi e latti che hanno firme spettrali distinte nello SWIR. I risultati positivi aprono un nuovo regno per il campo della spettroscopia SWIR poiché dimostrano che questa tecnologia potrebbe essere sicuramente utilizzata per applicazioni che vanno dalla selezione della plastica al processo di riciclaggio, alla salute e alla sicurezza o anche all'ispezione degli alimenti, per dirne alcuni.