La emisión de luz de banda ancha en el infrarrojo ha demostrado ser de suma importancia para una amplia gama de aplicaciones que incluyen la calidad de los alimentos y la supervisión de productos / procesos. reciclaje, detección y monitoreo ambiental, Imágenes multiespectrales en automoción, así como en seguridad y protección. Con la llegada de IoT y la creciente demanda de agregar más funcionalidades a dispositivos portátiles (como relojes inteligentes, teléfonos móviles, etc.) la introducción de espectrómetros en chip para el control de la salud, inspección de la calidad de los alimentos de detección de alérgenos, para nombrar unos pocos, Se espera que suceda pronto. Pero para tener estas funcionalidades fácilmente integradas e implementadas en la electrónica de consumo de producción en masa, se deben cumplir varios requisitos previos. Más específicamente, la fuente de luz debe ser compacta, altamente eficiente e idealmente CMOS integrado para garantizar una fabricación de bajo costo y alto volumen.

Hasta aquí, Emisores de luz de banda ancha en el rango de infrarrojos de onda corta (una parte del espectro infrarrojo entre 1-2,5 um) en el que funcionan estas aplicaciones antes mencionadas, se basan en tecnología del siglo anterior, que en realidad se basa en fuentes de luz incandescentes, es decir, radiadores de cuerpo negro. Aunque su costo de producción es bajo, su funcionalidad se basa en el principio de calefacción, que no permite la miniaturización de esas fuentes, terminando en factores de forma voluminosos. Además, la disipación de calor se convierte en un problema importante cuando se trata de la integración en sistemas portátiles compactos. Lo que empeora las cosas es el hecho de que estas fuentes son de banda ancha incontrolable, emitiendo en un espectro que es mucho más amplio de lo que normalmente se necesita, lo que significa que son muy ineficientes ya que la mayor parte de la luz generada es esencialmente inútil.

Para abordar este desafío, Los investigadores del ICFO Dr. Santanu Pradhan y Dra. Mariona Dalmases dirigidos por el Prof. ICREA en ICFO Gerasimos Konstantatos, desarrolló una nueva clase de emisores de luz de estado sólido de banda ancha basados ​​en la tecnología de película delgada de puntos cuánticos coloidales (CQD). Los resultados de su estudio se han publicado en la revista Materiales avanzados .

Ahora, Los CQD ofrecen las ventajas de la procesabilidad de la solución de bajo costo, fácil integración CMOS y banda prohibida fácilmente sintonizable. Aprovechando estas propiedades, Los investigadores del ICFO diseñaron y diseñaron una pila múltiple de CQD de diferentes tamaños, que demostró ser capaz de emitir luz con un espectro que depende del tamaño de los QD emisores. La secuencia y el grosor de las capas se optimizaron para maximizar la eficiencia de la fotoconversión de este tipo de película delgada de nanofósforo de conversión descendente. Las pilas se construyeron sobre un sustrato de plástico flexible que luego se pegó sobre un LED que emite en el rango visible. Este LED emite luz visible que luego es absorbida y convertida por los CQD en luz infrarroja con un espectro deseado y, más importante, con una excelente eficiencia de conversión de fotones del 25%. Demostraron que la forma del espectro de emisión se puede ajustar eligiendo las poblaciones apropiadas de tamaños de CQD. Para este caso particular, los investigadores desarrollaron una fuente de luz de banda ancha que cubre un rango de emisión entre 1100 y 1700 nm con un FWHM de 400 nm.

Luego, explotando la naturaleza conductora de las películas delgadas CQD, Los investigadores pudieron dar un paso más en su experimento y también construir LED de banda ancha activos impulsados ​​eléctricamente con un FWHM superior a 350 nm y una eficiencia cuántica del 5%. Tal logro representa el primer LED monolítico de infrarrojos de onda corta (SWIR) de banda ancha accionado eléctricamente que no necesita depender de fuentes de luz externas para la excitación. Este es un descubrimiento notable ya que las tecnologías disponibles actualmente basadas en semiconductores III-V no solo son incompatibles con CMOS, pero también requieren el uso de múltiples chips InGaAs en forma de matriz para entregar un espectro de banda ancha, que agrega complejidad, aumento de costo y volumen del dispositivo.

Finalmente, demostrar cuán adecuada podría ser esta tecnología para aplicaciones de mercado basadas en técnicas de espectroscopia, el equipo de investigadores buscó varios ejemplos de casos reales que podrían ser buenos candidatos para dicha tecnología. Tomaron su configuración de fuente de luz CQD y, al combinarla con espectrómetros disponibles comercialmente, pudieron distinguir entre diferentes tipos de plásticos, líquidos y leches que tienen firmas espectrales distintas en el SWIR. Los exitosos resultados abren un nuevo campo para el campo de la espectroscopia SWIR, ya que demuestran que esta tecnología definitivamente podría usarse para aplicaciones que van desde la clasificación de plástico en el proceso de reciclaje, a la salud y seguridad o incluso a la inspección de alimentos, para nombrar unos pocos.