A emissão de luz de banda larga no infravermelho provou ser de suma importância para uma ampla gama de aplicações que incluem qualidade de alimentos e monitoramento de produto / processo, reciclando, detecção e monitoramento ambiental, imagem multiespectral no setor automotivo e também em segurança e proteção. Com o advento da IoT e a crescente demanda por adicionar mais funcionalidades a dispositivos portáteis (como relógios inteligentes, telefones celulares, etc.) a introdução de espectrômetros no chip para monitoramento de saúde, detecção de alérgeno inspeção de qualidade de alimentos, para nomear alguns, está previsto para acontecer em breve. Mas, para ter essas funcionalidades facilmente integradas e implementadas na produção em massa de produtos eletrônicos de consumo, vários pré-requisitos precisam ser atendidos. Mais especificamente, a fonte de luz precisa ser compacta, altamente eficiente e CMOS idealmente integrado para garantir baixo custo e alto volume de fabricação.

Até aqui, emissores de luz de banda larga na faixa de infravermelho de ondas curtas (uma parte do espectro infravermelho entre 1-2,5 um) em que esses aplicativos mencionados funcionam, são baseados na tecnologia do século anterior, que na verdade é baseado em fontes de luz incandescente, isto é, radiadores de corpo negro. Mesmo que seu custo de produção seja baixo, sua funcionalidade é baseada no princípio de aquecimento, que não permite a miniaturização dessas fontes, terminando em fatores de forma volumosos. Além disso, a dissipação de calor se torna um grande problema quando se trata de integração em sistemas portáteis compactos. O que torna as coisas ainda piores é o fato de que essas fontes são de banda larga incontrolável, emitindo em um espectro que é muito mais amplo do que o normalmente necessário, o que significa que eles são altamente ineficientes, uma vez que a maior parte da luz gerada é essencialmente inútil.

Para enfrentar este desafio, Os pesquisadores do ICFO, Dr. Santanu Pradhan e a Dra. Mariona Dalmases, liderados pelo Prof do ICREA no ICFO Gerasimos Konstantatos, desenvolveu uma nova classe de emissores de luz de estado sólido de banda larga com base na tecnologia de filme fino de ponto quântico coloidal (CQD). Os resultados de seu estudo foram publicados na revista Materiais avançados .

Agora, CQDs oferecem as vantagens de processabilidade de solução de baixo custo, fácil integração CMOS e um bandgap facilmente ajustável. Aproveitando essas propriedades, Os pesquisadores do ICFO projetaram e projetaram uma pilha múltipla de CQDs de tamanhos diferentes, que se mostrou capaz de emitir luz com espectro que depende do tamanho dos QDs emissores. A sequência e a espessura das camadas foram otimizadas para maximizar a eficiência de fotoconversão desse tipo de filme fino de nanofósforo com conversão descendente. As pilhas foram construídas em cima de um substrato de plástico flexível que foi então colado em cima de um LED que emite na faixa visível. Este LED emite luz visível que é então absorvida e convertida pelos CQDs em luz infravermelha com um espectro desejado e, mais importante, com uma excelente eficiência de conversão de fótons de 25%. Eles mostraram que a forma do espectro de emissão pode ser ajustada escolhendo as populações apropriadas de tamanhos CQD. Para este caso particular, os pesquisadores desenvolveram uma fonte de luz de banda larga cobrindo uma faixa de emissão entre 1100-1700 nm com um FWHM de 400 nm.

Então, explorando a natureza condutiva dos filmes finos CQD, os pesquisadores foram capazes de dar um passo adiante em seu experimento e também construir LEDs de banda larga ativados eletricamente com um FWHM superior a 350 nm e eficiência quântica de 5%. Tal conquista representa o primeiro LED infravermelho de onda curta (SWIR) de banda larga eletricamente acionado monolítico que não precisa depender de fontes de luz externas para excitação. Esta é uma descoberta notável, uma vez que as tecnologias disponíveis atuais baseadas em semicondutores III-V não são apenas incompatíveis com CMOS, mas também exigem o uso de vários chips InGaAs na forma de uma matriz para fornecer um espectro de banda larga, o que adiciona complexidade, aumento do custo e do volume do dispositivo.

Finalmente, para demonstrar o quão adequada esta tecnologia pode ser para aplicações de mercado baseadas em técnicas de espectroscopia, a equipe de pesquisadores procurou vários exemplos de casos reais que poderiam ser bons candidatos para essa tecnologia. Eles pegaram a configuração da fonte de luz CQD e a juntaram com espectrômetros disponíveis comercialmente, eles foram capazes de distinguir entre diferentes tipos de plásticos, líquidos e leites que possuem assinaturas espectrais distintas no SWIR. Os resultados bem-sucedidos abrem um novo campo para o campo da espectroscopia SWIR, uma vez que provam que esta tecnologia pode definitivamente ser usada para aplicações que vão desde a classificação de plástico em processos de reciclagem, à saúde e segurança ou mesmo à inspeção de alimentos, para nomear alguns.