Gli emettitori di luce a punti quantici colloidali vanno a banda larga nell’infrarosso

L'emissione di luce a banda larga nell'infrarosso si è dimostrata di fondamentale importanza per una vasta gamma di applicazioni che includono la qualità degli alimenti e il monitoraggio di prodotti/processi, riciclaggio, rilevamento e monitoraggio ambientale e imaging multispettrale nel settore automobilistico, nonché sicurezza e protezione

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L’emissione di luce a banda larga nell’infrarosso si è dimostrata di fondamentale importanza per una vasta gamma di applicazioni che includono la qualità degli alimenti e il monitoraggio di prodotti/processi, riciclaggio, rilevamento e monitoraggio ambientale e imaging multispettrale nel settore automobilistico, nonché 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, il rilevamento di allergeni, l’ispezione della qualità degli alimenti, per citarne alcuni, ciò dovrebbe accadere presto. Ma per poter integrare e implementare facilmente tali funzionalità nell’elettronica di consumo di produzione di massa, è necessario soddisfare diversi prerequisiti. Nello specifico, la sorgente luminosa deve essere compatta.

Finora, gli emettitori di luce a banda larga nella gamma dell’infrarosso a onde corte (una porzione dello spettro infrarosso tra 1 e 2,5 um), in cui funzionano queste applicazioni, si basano sulla tecnologia del secolo precedente, che in realtà si basa su sorgenti luminose a incandescenza. Nonostante il loro costo di produzione sia contenuto, la loro funzionalità si basa sul principio del riscaldamento, che non consente la miniaturizzazione di quelle sorgenti, ritrovandosi in fattori di forma ingombranti. 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 sorgenti siano a banda larga in modo incontrollabile, emettendo attraverso uno spettro molto più ampio di quanto normalmente necessario. Il che significa che sono altamente inefficienti poiché la maggior parte della luce generata è essenzialmente inutile.

Per affrontare questa sfida, i ricercatori dell’ICFO, la dott.ssa Santanu Pradhan e la dott.ssa Mariona Dalmases guidati dal professore ICREA dell’ICFO Gerasimos Konstantatos, hanno sviluppato una nuova classe di emettitori di luce a stato solido a banda larga basati sulla tecnologia a film sottile colloidale quantum dot (CQD). I risultati del loro studio sono stati pubblicati sulla rivista Advanced Materials.

Ora, i CQD offrono i vantaggi del processo della soluzione a basso costo, della facile integrazione CMOS e di un bandgap facilmente sintonizzabile. Sfruttando queste proprietà, i ricercatori dell’ICFO hanno progettato e ingegnerizzato un multi-stack di CQD di diverse dimensioni, che si è dimostrato in grado di emettere luce con uno spettro che dipende dalle dimensioni dei QD emittenti. La sequenza e lo spessore degli strati sono stati ottimizzati per massimizzare l’efficienza di fotoconversione di questo tipo di pellicola sottile a nanofosfori con conversione verso il basso.

Le pile sono state costruite sopra un substrato di plastica flessibile che è stato poi incollato sopra un LED che emette luce nel campo visibile. Questo LED emette luce visibile che viene quindi assorbita e convertita dai CQD in luce infrarossa con uno spettro desiderato e, cosa più importante, con un’eccezionale efficienza di conversione dei fotoni del 25%.

Hanno dimostrato che la forma dello spettro di emissione può essere regolata scegliendo le grandezze appropriate di dimensioni CQD. Per questo caso particolare, i ricercatori hanno sviluppato una sorgente di luce 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%.

Questo risultato rappresenta il primo LED monolitico a infrarossi a onde corte (SWIR), a banda larga azionato elettricamente che non necessita di fare affidamento su sorgenti luminose esterne per l’innescamento. Questa è una scoperta notevole poiché le attuali tecnologie disponibili basate su semiconduttori III-V non solo sono CMOS incompatibili, ma richiedono anche l’uso di più chip InGaAs sotto forma di array per fornire uno spettro a banda larga, che aggiunge complessità, costo e volume del dispositivo.

Infine, per dimostrare quanto questa tecnologia possa essere adatta per applicazioni di mercato basate su tecniche di spettroscopia, il team di ricercatori ha sviluppato diversi esempi di casi reali che potrebbero essere buoni candidati per tale tecnologia. Hanno preso la loro configurazione della sorgente di luce CQD e, mettendola insieme agli spettrometri disponibili in commercio, sono stati in grado di distinguere tra diversi tipi di plastica, liquidi e latte che hanno firme spettrali distinte nello SWIR.

I risultati di successo aprono un nuovo mondo nel campo della spettroscopia SWIR, poiché dimostrano che questa tecnologia potrebbe essere sicuramente utilizzata per applicazioni che vanno dalla selezione della plastica nel processo di riciclaggio, alla salute e sicurezza o persino all’ispezione degli alimenti, per citarne alcune.