Kolloide kvanteprik-lysemittere går bredbånd i det infrarøde

Bredbåndslysemission i det infrarøde har vist sig at være af afgørende betydning for en lang række applikationer, som omfatter fødevarekvalitet og produkt-/procesovervågning, genbrug, miljømåling og overvågning, multispektral billeddannelse i bilindustrien samt sikkerhed og sikkerhed. Med fremkomsten af ​​IoT og den stigende efterspørgsel efter at tilføje flere funktionaliteter til bærbare enheder (såsom smarture, mobiltelefoner osv.) indførelse af on-chip spektrometre til sundhedsovervågning, allergenpåvisning fødevarekvalitetsinspektion, for at nævne et par stykker, forventes at ske snart. Men for at få sådanne funktioner let integreret og implementeret i masseproduktion af forbrugerelektronik, flere forudsætninger skal være opfyldt. Mere specifikt, lyskilden skal være kompakt, højeffektiv og ideelt integreret CMOS for at garantere lavpris og høj volumen fremstilling.

Indtil nu, bredbåndslysemittere i det kortbølgede infrarøde (en del af det infrarøde spektrum mellem 1-2,5 um), hvori disse førnævnte applikationer fungerer, er baseret på tidligere århundredes teknologi, som faktisk er baseret på glødende lyskilder, dvs. sorte kropsradiatorer. Selvom deres produktionsomkostninger er lave, deres funktionalitet er baseret på princippet om opvarmning, som ikke tillader miniaturisering af disse kilder, ender i voluminøse formfaktorer. Desuden bliver varmeafledning et stort problem, når det kommer til integration i kompakte bærbare systemer. Hvad der gør tingene endnu værre er det faktum, at disse kilder er ukontrolleret bredbånd, udsender over et spektrum, der er langt bredere end normalt nødvendigt, hvilket betyder, at de er meget ineffektive, da det meste af det genererede lys i det væsentlige er ubrugeligt.

For at løse denne udfordring, ICFO-forskerne Dr. Santanu Pradhan og Dr. Mariona Dalmases ledet af ICREA-professor ved ICFO Gerasimos Konstantatos, udviklet en ny klasse af bredbånds-solid-state lysudsendere baseret på kolloidal quantum dot (CQD) tyndfilmteknologi. Resultaterne af deres undersøgelse er blevet offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer .

Nu, CQD'er tilbyder fordelene ved billige løsningers bearbejdelighed, nem CMOS-integration og en let tunbar båndgab. Ved at udnytte disse egenskaber, ICFO-forskere designede og konstruerede en multistak af CQD'er af forskellig størrelse, som viste sig at være i stand til at udsende lys med et spektrum, der afhænger af størrelsen af ​​de udsendende QD'er. Sekvensen og tykkelsen af ​​lagene blev optimeret for at maksimere fotokonverteringseffektiviteten af ​​denne nedkonverterende nanophosphor-type af tynd film. Stablene blev bygget oven på et fleksibelt plastiksubstrat, som derefter blev limet oven på en LED, der udsender i det synlige område. Denne LED udsender synligt lys, som derefter absorberes og omdannes af CQD'erne til infrarødt lys med et ønsket spektrum og, vigtigere, med en enestående fotonkonverteringseffektivitet på 25 %. De viste, at formen af ​​emissionsspektret kan indstilles ved at vælge de passende populationer af CQD-størrelser. For dette særlige tilfælde, forskerne udviklede en bredbåndslyskilde, der dækker et emissionsområde mellem 1100-1700 nm med en FWHM på 400 nm.

Derefter, ved at udnytte den ledende karakter af CQD tyndfilmene, forskerne var i stand til at tage et skridt videre i deres eksperiment og også konstruere elektrisk drevne aktive bredbånds-LED'er med en FWHM på over 350 nm og kvanteeffektivitet på 5%. En sådan præstation repræsenterer den første monolitiske elektrisk drevne bredbånds-Short Wave Infrared (SWIR) LED, der ikke behøver at være afhængig af eksterne lyskilder til excitation. Dette er en bemærkelsesværdig opdagelse, eftersom de nuværende tilgængelige teknologier baseret på III-V-halvledere ikke kun er CMOS-inkompatible, men kræver også brug af flere InGaAs-chips i form af et array for at levere et bredbåndsspektrum, som tilføjer kompleksitet, omkostninger og enhedsvolumen stiger.

Endelig, at demonstrere, hvor egnet denne teknologi kunne være til markedsapplikationer baseret på spektroskopiteknikker, holdet af forskere søgte efter flere konkrete eksempler, der kunne være gode kandidater til en sådan teknologi. De tog deres CQD lyskilde opsætning og ved at sætte den sammen med kommercielt tilgængelige spektrometre, de var i stand til at skelne mellem forskellige plasttyper, væsker og mælk, der har distinkte spektrale signaturer i SWIR. De vellykkede resultater åbner et nyt område inden for SWIR-spektroskopi, da de beviser, at denne teknologi helt sikkert kunne bruges til applikationer, der spænder fra plastsortering i genanvendelsesprocessen, til sundhed og sikkerhed eller endda fødevareinspektion, for at nævne et par stykker.