Un nuevo diseño para 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 hacerla valiosa 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 revisada por pares avances científicos . Su dispositivo muestra un aumento en el brillo de 100 a 1,000 veces en comparación con los diseños de LED pequeños 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 han existido durante 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 electricidadhace que brille más, pero pronto el brillo disminuye, lo que hace que el LED sea altamente ineficiente. Llamado "caída de eficiencia" por la industria, el problema se interpone en el camino de los LED que se utilizan en una serie de aplicaciones prometedoras, desde la tecnología de las comunicaciones hasta la matanzavirus.
Si bien su novedoso diseño LED supera la caída de la eficiencia, los investigadores no se propusieron inicialmente resolver este problema. Su objetivo principal era crear un LED microscópico para su uso en aplicaciones muy pequeñas, como la tecnología lab-on-a-chipque 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 pequeño peine que puede extenderse a áreas tan grandes como 1centímetro 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 tomar el nuevo diseño.comenzó a aumentar la corriente y pensé que lo conduciríamos hasta que se quemara, pero seguía brillando más ".
Su novedoso diseño brilló brillantemente en longitudes de onda a caballo entre el borde entre violeta y 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 en el 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 más brillantesfuentes de luz."
"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 LED de longitud de onda submicrométrica. Este enfoque funciona bien ".
El equipo hizo otro descubrimiento sorprendente a medida que aumentaron la corriente. Mientras que el LED brillaba 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 se hizo clara: su pequeño LED se había convertido enun 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 permite que la luz rebote para producir un láser", dijo Nikoobakht. "Parece que el diseño de la aleta puede hacer todotrabajo 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 bloque de construcción 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 eficiencia podría hacerlo útil ".
La investigación fue apoyada en parte por el Acuerdo de Investigación Cooperativa del Ejército de EE. UU..
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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