Il diodo a emissione di luce a infrarossi regolabile in lunghezza d'onda è costituito da eterostruttura di fosforo nero e disolfuro di molibdeno (MoS2) su un substrato di poliimmide flessibile. Credito:Hyungjin Kim/UC Berkeley
Stress e tensione, applicato nel modo giusto, a volte può produrre risultati sorprendenti.
Questo è ciò che i ricercatori, guidato da un team del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della UC Berkeley, scoperto su un materiale semiconduttore emergente, il fosforo nero (BP), utilizzato per realizzare due tipi di dispositivi optoelettronici:diodi emettitori di luce (LED) e fotorivelatori.
Sotto sforzo meccanico, La BP può essere indotta a emettere o rilevare luce infrarossa (IR) in una gamma di lunghezze d'onda desiderabili, da 2,3 a 5,5 micrometri, che copre l'IR a onde corte e medie e per farlo in modo reversibile a temperatura ambiente, secondo gli autori dello studio Ali Javey, Lam Research Distinguished Chair in Semiconductor Processing e professore di ingegneria elettrica, e il borsista postdottorato Hyungjin Kim. Javey è anche uno scienziato senior della facoltà presso il Lawrence Berkeley National Laboratory.
I loro risultati sono significativi non solo per la capacità di raggiungere queste lunghezze d'onda, Javey e Kim hanno detto, ma per farlo in modo sintonizzabile e in un unico dispositivo. La tecnologia attuale richiederebbe più dispositivi ingombranti e diversi materiali semiconduttori per ottenere risultati simili.
Hanno descritto i loro risultati in Natura .
Javey e Kim hanno affermato che la capacità di utilizzare una gamma più ampia dello spettro IR, sintonizzabile all'interno di un dispositivo, potrebbe aiutare a soddisfare la crescente domanda di applicazioni nelle comunicazioni ottiche, termografia, monitoraggio della salute, spettroscopia, rilevamento chimico e altro ancora. Per dimostrare questa flessibilità, i ricercatori hanno utilizzato uno dei loro nuovi dispositivi per rilevare più gas.
Il fosforo nero sopra il substrato flessibile viene teso quando il substrato viene piegato. Credito:Hyungjin Kim/UC Berkeley
Il team guidato da Berkeley ha scoperto che l'utilizzo di strati sottili di BP in dispositivi optoelettronici e sottoponendoli a vari gradi di deformazione produce lunghezze d'onda di uscita sintonizzabili in modo reversibile su un intervallo inaspettatamente ampio. La lunghezza d'onda di uscita di BP e altri materiali semiconduttori è una proprietà nota come bandgap.
L'intervallo spettrale su cui può operare un dispositivo optoelettronico è in gran parte determinato dal bandgap del suo materiale semiconduttore. Diversi approcci possono essere utilizzati per ottenere la lunghezza d'onda operativa desiderata per una data applicazione. Per esempio, leghe, materiali di varia composizione e deformazione, possono essere utilizzate per regolare il bandgap. Sebbene questi approcci siano effettivamente efficaci, risultano in dispositivi con lunghezze d'onda operative fisse.
"Nel nostro lavoro, possiamo modificare attivamente la banda proibita del fosforo nero in modo tale che un singolo fotorivelatore o LED possa cambiare le sue lunghezze d'onda operative all'interno, all'incirca, la gamma da due a cinque micrometri, " ha detto Kim.
"Possiamo andare avanti e indietro tutte le volte che vogliamo, " Kim ha detto delle lunghezze d'onda reversibilmente sintonizzabili dei dispositivi basati su BP. Sfruttano le proprietà "magiche" di BP, Egli ha detto, nello specifico, il suo bandgap cambia sotto sforzo, che è molto più grande di quelli osservati con i materiali semiconduttori convenzionali.
"C'è innovazione nel dispositivo stesso, "Javey ha detto, "ma il materiale che stiamo usando, fosforo nero, ha anche proprietà intrinsecamente uniche [bandgap e sensibilità allo sforzo], e stiamo combinando queste due caratteristiche chiave".
Il fosforo nero è un materiale bidimensionale come il grafene. In un processo chiamato esfoliazione, i ricercatori usano lo scotch per sollevare strati sottili di nanometri del materiale, che viene poi trasferito su un substrato polimerico flessibile, in questo caso polietilentereftalato glicole (PETG).
L'applicazione del ceppo può modulare in modo attivo e reversibile la lunghezza d'onda e l'energia dei fotoni dell'onda elettromagnetica emessa dal fosforo nero. Credito:Hyungjin Kim/UC Berkeley
"Perché è meccanicamente flessibile, possiamo piegarlo a un raggio desiderato e applicare in modo controllabile la deformazione a BP, " ha detto Kim. Cioè, il piegamento diventa una manopola efficace per modulare il bandgap BP.
Infatti, grazie alla sua struttura reticolare increspata, Kim ha detto, BP mostra proprietà ceppo-dipendenti uniche che, oltre al bandgap, includono l'interazione sintonizzabile di van der Waals e la piezoelettricità. La deformazione può essere applicata alla BP in modo reversibile a causa della sua natura a membrana sottile, Egli ha detto.
In un'applicazione, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata rilevamento del gas IR non dispersivo. Poiché ogni gas ha la sua banda di assorbimento, cioè la quantità di luce che assorbe a una lunghezza d'onda specifica:un LED IR sintonizzabile con un intervallo di lunghezze d'onda di uscita sufficiente potrebbe rilevare, Per esempio, anidride carbonica espulsa dalla respirazione umana. Questo perché il gas assorbe la luce a circa 4,3 micrometri, all'interno della gamma di dispositivi da 2,3 a 5,5 micrometri. Altri gas rilevabili con i LED BP regolabili includono metano e acqua.
Un'applicazione per i fotorilevatori BP potrebbe essere l'imaging termico. Potrebbe essere usato, Per esempio, negli occhiali per la visione notturna per rilevare qualsiasi fonte di calore esotermica come i corpi umani. Tali fotorivelatori sintonizzabili sarebbero in grado di effettuare immagini termiche selettive su una gamma di lunghezze d'onda IR.
Dal punto di vista dei materiali, c'è molto interesse nell'identificare nuovi semiconduttori che siano più efficienti in questa gamma di lunghezze d'onda, ha detto Javey. "È stato allora che abbiamo iniziato a esaminare il fosforo nero perché era già noto per avere una banda proibita che si sovrappone all'IR a media lunghezza d'onda. Da lì abbiamo esaminato come possiamo costruire dispositivi efficienti come LED e fotorilevatori utilizzando questo materiale. Ma che cos'è la novità qui è la sintonizzabilità:è possibile sintonizzare attivamente il dispositivo con la tensione su un ampio intervallo di lunghezze d'onda."
Andando avanti, Javey ha detto, "Penso che questo concetto di dispositivo possa essere applicato ad altre parti dello spettro, forse anche costruendo dispositivi che potrebbero funzionare nel regime visibile. Ciò potrebbe consentire nuovi tipi di display, Per esempio, se questi concetti e materiali possono essere incorporati in un manufatto, modo scalabile, con dispositivi elettromeccanici miniaturizzati."
