Una foto al microscopio che mostra una serie di nanoparticelle metalliche posizionate con precisione sulla superficie di un semiconduttore di arseniuro di gallio. Credito:per gentile concessione di Rachel S. Goldman, Ingegneria del Michigan
Con un anticipo che potrebbe aumentare l'efficienza dell'illuminazione a LED del 50 percento e persino aprire la strada a dispositivi di occultamento dell'invisibilità, un team di ricercatori dell'Università del Michigan ha sviluppato una nuova tecnica che trasforma le nanoparticelle metalliche in semiconduttori.
È la prima tecnica in grado di far crescere a buon mercato nanoparticelle metalliche sia sopra che sotto la superficie dei semiconduttori. Il processo non aggiunge praticamente alcun costo durante la produzione e la sua maggiore efficienza potrebbe consentire ai produttori di utilizzare meno semiconduttori nei prodotti finiti, rendendoli meno costosi.
Le nanoparticelle metalliche possono aumentare l'efficienza dei LED in diversi modi. Possono agire come minuscole antenne che alterano e reindirizzano l'elettricità che scorre attraverso il semiconduttore, trasformandolo in luce. Possono anche aiutare a riflettere la luce fuori dal dispositivo, impedendo che venga intrappolato all'interno e sprecato.
Il processo può essere utilizzato con il nitruro di gallio utilizzato nell'illuminazione a LED e può anche aumentare l'efficienza in altri prodotti a semiconduttore, comprese le celle solari. È dettagliato in uno studio pubblicato su Rivista di fisica applicata .
"Si tratta di un'aggiunta perfetta al processo di produzione, ed è questo che lo rende così eccitante, "ha detto Rachel Goldman, professore di scienze e ingegneria dei materiali, e fisica. "La capacità di creare strutture 3D con queste nanoparticelle aprirà molte possibilità".
Nanoparticelle di arseniuro di gallio che si formano sulla superficie di un semiconduttore. Per gentile concessione di Rachel S. Goldman, Università del Michigan professore di scienza e ingegneria dei materiali
L'innovazione chiave
L'idea di aggiungere nanoparticelle per aumentare l'efficienza dei LED non è nuova. Ma gli sforzi precedenti per incorporarli non sono stati pratici per la produzione su larga scala. Si sono concentrati su metalli costosi come l'argento, oro e platino. Inoltre, la dimensione e la spaziatura delle particelle devono essere molto precise; ciò richiedeva ulteriori e costose fasi di produzione. Per di più, non c'era un modo economico per incorporare le particelle sotto la superficie.
Il team di Goldman ha scoperto un modo più semplice che si integra facilmente con il processo di epitassia a fascio molecolare utilizzato per realizzare i semiconduttori. L'epitassia del fascio molecolare spruzza più strati di elementi metallici su un wafer. Questo crea esattamente le proprietà conduttive giuste per un determinato scopo.
I ricercatori dell'UM hanno applicato un raggio ionico tra questi strati, un passaggio che spinge il metallo fuori dal wafer semiconduttore e sulla superficie. Il metallo forma particelle su scala nanometrica che hanno lo stesso scopo delle costose macchie di oro e platino nelle ricerche precedenti. La loro dimensione e posizione possono essere controllate con precisione variando l'angolo e l'intensità del fascio ionico. E applicando il fascio di ioni più e più volte tra ogni strato si crea un semiconduttore con le nanoparticelle sparse dappertutto.
"Se si adattano attentamente le dimensioni e la spaziatura delle nanoparticelle e quanto profondamente sono incorporate, puoi trovare uno sweet spot che esalta le emissioni luminose, " disse Myungkoo Kang, un ex studente laureato nel laboratorio di Goldman e primo autore dello studio. "Questo processo ci offre un modo molto più semplice e meno costoso per farlo".
I ricercatori sanno da anni che le particelle metalliche possono accumularsi sulla superficie dei semiconduttori durante la produzione. Ma sono sempre stati considerati una seccatura, qualcosa che è successo quando il mix di elementi non era corretto o il tempismo era sbagliato.
La camera di crescita principale dell'apparato del fascio di epitassia molecolare utilizzata per realizzare i semiconduttori di nitruro di gallio infusi con nanoparticelle. I semiconduttori potrebbero aumentare l'efficienza dei LED fino al 50 percento, e persino portare a dispositivi di occultamento dell'invisibilità. Credito:foto di Joseph Xu, Michigan Ingegneria delle comunicazioni e del marketing
"Fin dagli albori della produzione di semiconduttori, l'obiettivo era sempre quello di spruzzare uno strato uniforme di elementi sulla superficie. Se invece gli elementi formassero particelle, è stato considerato un errore, " ha detto Goldman. "Ma ci siamo resi conto che quegli 'errori' sono molto simili alle particelle che i produttori hanno cercato così duramente di incorporare nei LED. Così abbiamo trovato un modo per fare la limonata con i limoni".
Verso i mantelli dell'invisibilità
Poiché la tecnica consente un controllo preciso sulla distribuzione delle nanoparticelle, i ricercatori dicono che un giorno potrebbe essere utile per i mantelli che rendono gli oggetti parzialmente invisibili inducendo un fenomeno noto come "rifrazione inversa".
La rifrazione inversa piega le onde luminose all'indietro in un modo che non si verifica in natura, potenzialmente dirigendoli intorno a un oggetto o lontano dall'occhio. I ricercatori ritengono che dimensionando e distanziando accuratamente una serie di nanoparticelle, possono essere in grado di indurre e controllare la rifrazione inversa in specifiche lunghezze d'onda della luce.
"Per l'occultamento dell'invisibilità, dobbiamo trasmettere e manipolare la luce in modi molto precisi, ed è molto difficile oggi, " ha detto Goldman. "Crediamo che questo processo potrebbe darci il livello di controllo di cui abbiamo bisogno per farlo funzionare".
Il team sta ora lavorando per adattare il processo del fascio di ioni ai materiali specifici utilizzati nei LED:si stima che i dispositivi di illuminazione a maggiore efficienza potrebbero essere pronti per il mercato entro i prossimi cinque anni, con l'occultamento dell'invisibilità e altre applicazioni che verranno ulteriormente in futuro.
Lo studio è intitolato "Formazione di array di nanoparticelle di Ga plasmoniche incorporate e loro influenza sulla fotoluminescenza di GaAs".
