Un nuovo design per diodi a emissione di luce (LED) sviluppato da un team che comprende scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) potrebbe essere la chiave per superare una limitazione di vecchia data nell'efficienza delle sorgenti luminose. Il concetto, dimostrato con LED microscopici in laboratorio, ottiene un notevole aumento della luminosità e la capacità di creare luce laser, tutte caratteristiche che potrebbero renderlo prezioso in una gamma di applicazioni su larga scala e miniaturizzate.

Il gruppo, che comprende anche scienziati dell'Università del Maryland, Rensselaer Polytechnic Institute e IBM Thomas J. Watson Research Center, dettagliato il suo lavoro in un articolo pubblicato oggi sulla rivista peer-reviewed Progressi scientifici . Il loro dispositivo mostra un aumento della luminosità di 100 a 1, 000 volte più piccolo convenzionale, LED di dimensioni inferiori al micron.

"È una nuova architettura per la produzione di LED, " ha detto Babak Nikoobakt del NIST, che ha ideato il nuovo progetto. "Utilizziamo gli stessi materiali dei LED convenzionali. La differenza nei nostri è la loro forma."

I LED esistono da decenni, ma lo sviluppo di LED luminosi ha vinto un premio Nobel e ha inaugurato una nuova era dell'illuminazione. Però, anche i LED moderni hanno un limite che frustra i loro progettisti. Fino a un certo punto, alimentando un LED più elettricità lo fa brillare più intensamente, ma presto la luminosità svanisce, rendendo il LED altamente inefficiente. Chiamato "caduta di efficienza" dall'industria, il problema ostacola l'utilizzo dei LED in una serie di applicazioni promettenti, dalla tecnologia delle comunicazioni all'uccisione dei virus.

Mentre il loro nuovo design a LED supera il calo di efficienza, i ricercatori non si sono inizialmente proposti di risolvere questo problema. Il loro obiettivo principale era creare un LED microscopico da utilizzare in applicazioni molto piccole, come la tecnologia lab-on-a-chip che gli scienziati del NIST e altrove stanno perseguendo.

Il team ha sperimentato un design completamente nuovo per la parte del LED che brilla:a differenza del flat, design planare utilizzato nei LED convenzionali, i ricercatori hanno costruito una fonte di luce dal lungo, sottili fili di ossido di zinco a cui si riferiscono come alette. (Lungo e sottile sono termini relativi:ogni pinna è lunga solo circa 5 micrometri, che si estende per circa un decimo della larghezza di un capello umano medio.) La loro serie di pinne sembra un minuscolo pettine che può estendersi ad aree grandi come 1 centimetro o più.

"Abbiamo visto un'opportunità nelle pinne, poiché pensavo che la loro forma allungata e le grandi sfaccettature laterali potessero ricevere più corrente elettrica, " Nikoobakht ha detto. "All'inizio volevamo solo misurare quanto poteva prendere il nuovo design. Abbiamo iniziato ad aumentare la corrente e abbiamo pensato di guidarla finché non si è esaurita, ma continuava a diventare sempre più luminoso."

Il loro nuovo design brillava brillantemente nelle lunghezze d'onda a cavallo del confine tra viola e ultravioletto, generando circa 100 a 1, 000 volte la potenza dei tipici LED minuscoli. Nikoobakht caratterizza il risultato come una scoperta fondamentale significativa.

"Un tipico LED di area inferiore a un micrometro quadrato brilla con circa 22 nanowatt di potenza, ma questo può produrre fino a 20 microwatt, " ha detto. "Suggerisce che il design può superare il calo di efficienza dei LED per rendere le sorgenti luminose più luminose".

"È una delle soluzioni più efficienti che abbia mai visto, " disse Grigorij Simin, un professore di ingegneria elettrica presso l'Università della Carolina del Sud che non era coinvolto nel progetto. "La comunità lavora da anni per migliorare l'efficienza dei LED, e altri approcci spesso presentano problemi tecnici quando applicati a LED con lunghezza d'onda submicrometrica. Questo approccio fa bene il lavoro".

Il team ha fatto un'altra sorprendente scoperta mentre aumentava la corrente. Mentre inizialmente il LED brillava in una gamma di lunghezze d'onda, la sua emissione relativamente ampia alla fine si restrinse a due lunghezze d'onda di intenso colore viola. La spiegazione divenne chiara:il loro minuscolo LED era diventato un minuscolo laser.

"Convertire un LED in un laser richiede un grande sforzo. Di solito richiede l'accoppiamento di un LED a una cavità di risonanza che consente alla luce di rimbalzare per creare un laser, " ha detto Nikoobakht. "Sembra che il design delle pinne possa fare l'intero lavoro da solo, senza bisogno di aggiungere un'altra cavità."

Un minuscolo laser sarebbe fondamentale per applicazioni su scala di chip non solo per il rilevamento di sostanze chimiche, ma anche nei prodotti di comunicazione portatili di nuova generazione, display ad alta definizione e disinfezione.

"Ha un grande potenziale per essere un elemento importante, " ha detto Nikoobakt. "Anche se questo non è il laser più piccolo che le persone abbiano mai realizzato, è molto luminoso. L'assenza di un calo di efficienza potrebbe renderlo utile."