Físicos desenvolvem LEDs baseados em nanofios com intensidade de luz 5 vezes maior

• Os pesquisadores usam nanofios e um tipo especial de concha para construir diodos emissores de luz ultravioleta.
• Eles produzem uma intensidade de luz 5 vezes maior do que os LEDs com base no design de concha convencional.

Os diodos emissores de luz ultravioleta (LEDs UV) são usados ​​em um número crescente de aplicações, como purificação de água, espectroscopia, cura por fotopolímero e desinfecção médica.

LEDs UV profundos baseados em nanofios têm ganhado muita atenção recentemente, pois podem fornecer novas funcionalidades relacionadas ao seu tamanho em nanoescala e natureza discreta. Por exemplo, LEDs de nanofio único podem ser usados ​​para construir novos sistemas para litografia óptica de sub-difração, que pode ser ampliada em matrizes pixeladas para litografia de nível de wafer.

Recentemente, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia usaram um tipo especial de invólucro para desenvolver LEDs UV baseados em nanofios que produzem intensidade de luz 5 vezes maior do que os LEDs baseados em um projeto convencional de invólucro.

Como eles fizeram isso?

Ultimamente, a equipe tem trabalhado em núcleos de nanofios feitos de nitrato de gálio dopado com silício (contém elétrons extras) encerrados por conchas feitas de nitrato de gálio dopado com magnésio (contém um excesso de "buracos" para elétrons ausentes). Quando um buraco se funde com um elétron, uma quantidade significativa de energia é ejetada na forma de luz; este processo é denominado eletroluminescência.

Em 2017, eles revelaram LEDs de nitrato de gálio que envolviam a injeção de elétrons na camada da casca para se fundir com os orifícios e, por fim, produzir luz de alta intensidade. Os novos LEDs funcionam de maneira semelhante, exceto que desta vez os pesquisadores adicionaram uma pequena quantidade de alumínio à camada de revestimento.

Referência:NanoTecnologia | doi:10.1088 / 1361-6528 / ab07ed | NIST

O alumínio minimiza as perdas ocorridas devido ao estouro de elétrons e reabsorção de luz. Mais especificamente, ele traz uma assimetria dentro da corrente elétrica, evitando que os elétrons se movam para a camada de casca. Isso confina os buracos e os elétrons ao núcleo do nanofio, o que resulta em uma intensidade de luz cinco vezes maior.

LED baseado em nanowire | Incorporar uma pequena quantidade de alumínio à camada de revestimento (preta) confina os buracos e os elétrons no núcleo do nanofio (área multicolorida), gerando luz intensa | Cortesia de pesquisadores

Os pesquisadores usaram uma estrutura chamada “p-i-n” para fabricar LEDs de nanofios. A estrutura representa um projeto de três camadas para injeção de elétrons e buracos no nanofio.

Quanto maior o diâmetro de um nanofio, mais alumínio pode ser incorporado às estruturas fabricadas. O nanofio desenvolvido neste estudo tinha um comprimento de 440 nanômetros e uma espessura de casca de 40 nanômetros. Os LEDs resultantes eram quase 10 vezes maiores.

Implementando a tecnologia

A equipe já detém a patente de um dispositivo que integra LED com microscopia de varredura por micro-ondas para testes seguros e sem contato de nanoestruturas semicondutoras. Também pode ser usado para estudar a estrutura celular e o desdobramento de proteínas.

Enquanto as estruturas exploradas neste trabalho visam a composição aproximada necessária para o confinamento do portador, uma fração maior de alumínio pode ajudar os pesquisadores a configurar o comprimento de onda e controlar a emissão / polarização no núcleo de nitrato de gálio. No entanto, isso continua sendo um assunto para trabalhos futuros.

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Atualmente, os pesquisadores estão trabalhando com duas organizações privadas para desenvolver micro-LEDs baseados em nanofios. Um deles concordou em construir técnicas de dopante e caracterização estrutural. Em breve, a equipe demonstrará o protótipo das ferramentas de LED.