Os pesquisadores da UC Santa Bárbara continuam a expandir um pouco mais os limites do design de LED com um novo método que pode abrir caminho para uma tecnologia de iluminação e display LED mais eficiente e versátil.

Em um artigo publicado em Nature Photonics , O professor de engenharia elétrica e da computação da UCSB, Jonathan Schuller, e colaboradores descrevem essa nova abordagem, que poderia permitir que uma ampla variedade de dispositivos LED - de fones de ouvido de realidade virtual a iluminação automotiva - se tornassem mais sofisticados e elegantes ao mesmo tempo.

"O que mostramos é um novo tipo de arquitetura fotônica que não só permite a extração de mais fótons, mas também para direcioná-los para onde você quiser, "disse Schuller. Isso melhorou o desempenho, ele explicou, é conseguido sem os componentes externos da embalagem, que costumam ser usados ​​para manipular a luz emitida pelos LEDs.

A luz em LEDs é gerada no material semicondutor quando excitado, elétrons carregados negativamente que viajam ao longo da rede cristalina do semicondutor encontram buracos carregados positivamente (uma ausência de elétrons) e fazem a transição para um estado inferior de energia, liberando um fóton ao longo do caminho. Ao longo de suas medições, os pesquisadores descobriram que uma quantidade significativa desses fótons estava sendo gerada, mas não estava saindo do LED.

"Percebemos que se você olhar para a distribuição angular do fóton emitido antes de padronizar, tendia a atingir o pico em uma determinada direção que normalmente ficaria presa dentro da estrutura do LED, "Schuller disse." E então nós percebemos que você poderia projetar em torno da luz normalmente capturada usando os conceitos tradicionais de metassuperfície. "

O projeto que eles definiram consiste em uma matriz de nanorods de nitreto de gálio (GaN) de 1,45 micrômetro de comprimento em um substrato de safira, em que poços quânticos de nitreto de índio e gálio foram embutidos, para confinar elétrons e lacunas e, assim, emitir luz. Além de permitir que mais luz saia da estrutura do semicondutor, o processo polariza a luz, que o co-autor principal Prasad Iyer disse, "é fundamental para muitas aplicações."

Antenas em nanoescala

A ideia do projeto veio a Iyer alguns anos atrás, quando ele estava concluindo seu doutorado no laboratório de Schuller, onde a pesquisa é focada em tecnologia fotônica e fenômenos ópticos em escalas de comprimento de onda. Metasurfaces - superfícies projetadas com recursos em nanoescala que interagem com a luz - foram o foco de sua pesquisa.

"Uma metassuperfície é essencialmente uma matriz de antenas com comprimento de onda, "disse Iyer, que anteriormente estava pesquisando como orientar feixes de laser com metassuperfícies. Ele entendeu que as metassuperfícies típicas dependem das propriedades altamente direcionais do feixe de laser de entrada para produzir um feixe de saída altamente direcionado.

LEDs, por outro lado, emitem luz espontânea, ao contrário do estimulado pelo laser, luz coerente.

"A emissão espontânea mostra todas as maneiras possíveis em que o fóton pode ir, "Schuller explicou, então a luz aparece como um borrifo de fótons viajando em todas as direções possíveis. A questão era eles poderiam, por meio de projeto cuidadoso em nanoescala e fabricação da superfície do semicondutor, rebanho os fótons gerados na direção desejada?

"As pessoas já fizeram padronização de LEDs anteriormente, "Iyer disse, mas esses esforços invariavelmente dividem o em várias direções, com baixa eficiência. "Ninguém projetou uma maneira de controlar a emissão de luz de um LED em uma única direção."

Lugar certo, Tempo certo

Era um quebra-cabeça que não teria solução, Iyer disse, sem a ajuda de uma equipe de colaboradores especializados. GaN é excepcionalmente difícil de trabalhar e requer processos especializados para fazer cristais de alta qualidade. Apenas alguns lugares no mundo têm experiência para fabricar o material com um design tão preciso.

Felizmente, UC Santa Bárbara, casa do Centro de Iluminação de Estado Sólido e Eletrônica de Energia (SSLEEC), é um desses lugares. Com a experiência da SSLEEC e a instalação de nanofabricação de classe mundial do campus, os pesquisadores projetaram e padronizaram a superfície do semicondutor para adaptar o conceito de metassuperfície para emissão espontânea de luz.

"Tivemos a sorte de colaborar com os especialistas mundiais na fabricação dessas coisas, "Schuller disse.