Una luz brillante y diminuta: los científicos del NIST construyen un mejor LED a nanoescala

| |

Crédito:
B. Nikoobakht, N. Hanacek / NIST

El diseño de píxeles LED de aleta incluye la aleta de óxido de zinc brillante (púrpura), material dieléctrico aislante (verde) y contacto de metal (amarillo sobre verde). Las aletas microscópicas, que el equipo de investigación organizó en matrices en forma de peine, muestran un aumento en el brillo de 100 a 1,000 veces en comparación con los diseños LED convencionales de tamaño submicrónico.

Un nuevo diseño de diodos emisores de luz (LED) desarrollado por un equipo que incluye a científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) puede ser la clave para superar una limitación de larga data en la eficiencia de las fuentes de luz. El concepto, demostrado con LED microscópicos en el laboratorio, logra un aumento dramático en el brillo, así como la capacidad de crear luz láser, todas características que podrían hacerlo valioso en una gama de aplicaciones miniaturizadas y a gran escala.

El equipo, que también incluye a científicos de la Universidad de Maryland, el Instituto Politécnico Rensselaer y el Centro de Investigación IBM Thomas J. Watson, detalló su trabajo en un artículo publicado hoy en la revista Science Advances revisada por pares. Su dispositivo muestra un aumento en el brillo de 100 a 1,000 veces en comparación con los diseños LED convencionales de tamaño submicrónico.

“Es una nueva arquitectura para fabricar LED”, dijo Babak Nikoobakht de NIST, quien concibió el nuevo diseño. “Usamos los mismos materiales que en los LED convencionales. La diferencia en los nuestros es su forma “.

Los LED existen desde hace décadas, pero el desarrollo de LED brillantes ganó un premio Nobel y marcó el comienzo de una nueva era de iluminación. Sin embargo, incluso los LED modernos tienen una limitación que frustra a sus diseñadores. Hasta cierto punto, alimentar un LED con más electricidad hace que brille más, pero pronto el brillo disminuye, lo que hace que el LED sea altamente ineficiente. El problema, que la industria denomina “caída de la eficiencia”, obstaculiza el uso de los LED en una serie de aplicaciones prometedoras, desde la tecnología de las comunicaciones hasta la eliminación de virus.

Si bien su novedoso diseño LED supera la caída de la eficiencia, los investigadores no se propusieron inicialmente resolver este problema. Su principal objetivo era crear un LED microscópico para su uso en aplicaciones muy pequeñas, como tecnología lab-on-a-chip que los científicos del NIST y otros lugares están buscando.

El equipo experimentó con un diseño completamente nuevo para la parte del LED que brilla: a diferencia del diseño plano y plano que se usa en los LED convencionales, los investigadores construyeron una fuente de luz a partir de hilos largos y delgados de óxido de zinc a los que se refieren como aletas. (Largo y delgado son términos relativos: cada aleta tiene solo unos 5 micrómetros de largo, y se extiende aproximadamente una décima parte del ancho de un cabello humano promedio). Su conjunto de aletas parece un peine pequeño que puede extenderse a áreas tan grandes como 1 centímetro o más.

“Vimos una oportunidad en las aletas, ya que pensé que su forma alargada y sus grandes facetas laterales podrían recibir más corriente eléctrica”, dijo Nikoobakht. “Al principio solo queríamos medir cuánto podía soportar el nuevo diseño. Empezamos a aumentar la corriente y pensamos que la conduciríamos hasta que se quemara, pero seguía brillando “.

Su novedoso diseño brilló brillantemente en longitudes de onda que se extendían entre el violeta y el ultravioleta, generando alrededor de 100 a 1,000 veces más energía que los típicos LED diminutos. Nikoobakht caracteriza el resultado como un descubrimiento fundamental significativo.

“Un LED típico de menos de un micrómetro cuadrado de área brilla con aproximadamente 22 nanovatios de potencia, pero este puede producir hasta 20 microvatios”, dijo. “Sugiere que el diseño puede superar la caída de eficiencia en los LED para hacer fuentes de luz más brillantes”.

“Es una de las soluciones más eficientes que he visto”, dijo Grigory Simin, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Carolina del Sur que no participó en el proyecto. “La comunidad ha estado trabajando durante años para mejorar la eficiencia de los LED, y otros enfoques a menudo tienen problemas técnicos cuando se aplican a los LED de longitud de onda submicrométrica. Este enfoque hace bien el trabajo “.

El equipo hizo otro descubrimiento sorprendente al aumentar la corriente. Si bien el LED brilló en un rango de longitudes de onda al principio, su emisión comparativamente amplia finalmente se redujo a dos longitudes de onda de color violeta intenso. La explicación quedó clara: su diminuto LED se había convertido en un diminuto láser.

“Convertir un LED en un láser requiere un gran esfuerzo. Por lo general, requiere acoplar un LED a una cavidad de resonancia que permita que la luz rebote para producir un láser ”, dijo Nikoobakht. “Parece que el diseño de la aleta puede hacer todo el trabajo por sí solo, sin necesidad de agregar otra cavidad”.

Un láser diminuto sería fundamental para aplicaciones a escala de chip no solo para detección química, sino también en productos de comunicaciones portátiles de próxima generación, pantallas de alta definición y desinfección.

“Tiene mucho potencial para ser un componente importante”, dijo Nikoobakht. “Si bien este no es el láser más pequeño que la gente ha fabricado, es muy brillante. La ausencia de caída de la eficiencia podría hacer que sea útil “.

La investigación fue apoyada en parte por el Acuerdo de Investigación Cooperativa del Ejército de EE. UU.


B. Nikoobakht, RP Hansen, Y. Zong, A. Agrawal, M. Shur y J. Tersoff. Láseo de alto brillo a submicrómetro habilitado por diodos emisores de luz (LED) de aleta sin caída. Avances científicos. 14 de agosto de 2020. DOI: 10.1126 / sciadv.aba4346

/ Publicación pública. El material de este comunicado público proviene de la organización de origen y puede ser de naturaleza puntual, editado para mayor claridad, estilo y extensión. Ver en su totalidad aquí.

.

Previous

Competition Bureau investiga Amazon.ca | Noticias CBC

¿Qué es la ‘mesa de nachos’, la tendencia gastronómica de TikTok?

Next

Leave a Comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.