Modelli in nanoscala progettati per piegarsi, deviare e dividere la luce ora può essere fabbricata direttamente sulle superfici dei diodi emettitori di luce (LED) utilizzando un metodo di incisione innovativo sviluppato dai ricercatori di A*STAR. Il nuovo schema di fabbricazione crea nuove possibilità per il facile controllo dell'emissione luminosa.

I recenti progressi nell'illuminazione a LED hanno trasformato la vita quotidiana e la tecnologia all'avanguardia, dall'illuminazione efficiente della stanza, alla retroilluminazione di TV e dispositivi mobili, e i minuscoli circuiti ottici che guidano le reti globali in fibra ottica.

Il componente luminescente dei LED è una struttura sorprendentemente semplice, tipicamente un sottile strato di un materiale dielettrico come il nitruro di gallio (GaN) su un substrato di zaffiro cristallino. Questa struttura fa sì che la luce emessa dai LED sia dispersa in modo inefficiente in tutte le direzioni, compreso di nuovo nel substrato su cui è fissato lo strato luminescente. Così, mentre i ricercatori hanno fatto enormi progressi nell'efficienza dell'emissione di luce, rimangono margini di miglioramento.

Egor Khaidarov e i colleghi del Data Storage Institute di A*STAR e della Nanyang Technological University hanno ora trovato un modo per modellare il GaN con caratteristiche su nanoscala in grado di controllare il comportamento della luce.

"Abbiamo dimostrato che le metasuperfici - superfici modellate con caratteristiche tipicamente inferiori alla lunghezza d'onda della luce emessa - possono essere fabbricate direttamente su una piattaforma standard GaN-on-zaffiro, " dice Khaidarov. "La cosa più importante, abbiamo dimostrato che con un buon design, è possibile creare le metasuperfici senza la necessità di uno strato aggiuntivo, pur mantenendo un elevato livello di efficienza delle emissioni."

In passato sono state tentate modifiche della metasuperficie dei LED. Questi includevano la modellazione di uno strato aggiuntivo con un indice di rifrazione molto diverso rispetto al substrato GaN su zaffiro sottostante per mantenere la luce nello strato di metasuperficie e migliorare le interazioni luce-materia. Il problema con la modellazione diretta di GaN, un vantaggio importante per la fabbricazione, è una debolezza delle interazioni a causa della mancanza di contrasto dell'indice di rifrazione.

"Per superare questo, abbiamo lavorato con strutture molto profonde con un grande allungamento, efficacemente array di nanopillars, per ridurre l'influenza del substrato sui modi ottici della metasuperficie, " spiega Khaidarov (vedi immagine).

Il disegno risultante, però, ha rappresentato una grande sfida per la fabbricazione, richiedendo al team di sviluppare una precisa procedura di nanofabbricazione che coinvolga la litografia a fascio di elettroni e una rapida, attacco ionico reattivo ad alta temperatura.

"Con il nostro concetto di design abbiamo, in linea di principio, pieno controllo delle proprietà di uscita della luce, che ci permette di fabbricare componenti ottici più complessi come lenti, generatori del fascio di vortice, polarimetri e ologrammi, " dice Khaidarov.