En un avance que podría aumentar la eficiencia de la iluminación LED en un 50 por ciento e incluso allanar el camino para los dispositivos de ocultación de invisibilidad, Un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan ha desarrollado una nueva técnica que convierte nanopartículas metálicas en semiconductores.

Es la primera técnica que puede hacer crecer nanopartículas metálicas de forma económica tanto sobre como debajo de la superficie de los semiconductores. El proceso no agrega prácticamente ningún costo durante la fabricación y su eficiencia mejorada podría permitir a los fabricantes usar menos semiconductores en los productos terminados. haciéndolos menos costosos.

Las nanopartículas metálicas pueden aumentar la eficiencia de los LED de varias formas. Pueden actuar como pequeñas antenas que alteran y redirigen la electricidad que pasa por el semiconductor. convirtiendo más en luz. También pueden ayudar a reflejar la luz fuera del dispositivo, evitando que quede atrapado dentro y desperdiciado.

El proceso se puede usar con el nitruro de galio que se usa en la iluminación LED y también puede aumentar la eficiencia en otros productos semiconductores. incluidas las células solares. Se detalla en un estudio publicado en el Revista de física aplicada .

"Esta es una adición perfecta al proceso de fabricación, y eso es lo que lo hace tan emocionante "dijo Rachel Goldman, Profesor U-M de ciencia e ingeniería de materiales, y física. "La capacidad de hacer estructuras tridimensionales con estas nanopartículas abrirá muchas posibilidades".

La innovación clave

La idea de agregar nanopartículas para aumentar la eficiencia de los LED no es nueva. Pero los esfuerzos anteriores para incorporarlos no han sido prácticos para la fabricación a gran escala. Se enfocaron en metales costosos como la plata, oro y platino. Además, el tamaño y el espaciado de las partículas deben ser muy precisos; esto requirió pasos de fabricación adicionales y costosos. Es más, no había una forma rentable de incorporar partículas debajo de la superficie.

El equipo de Goldman descubrió una forma más sencilla que se integra fácilmente con el proceso de epitaxia de haz molecular utilizado para fabricar semiconductores. La epitaxia de haz molecular pulveriza múltiples capas de elementos metálicos sobre una oblea. Esto crea exactamente las propiedades conductoras adecuadas para un propósito determinado.

Los investigadores de la U-M aplicaron un haz de iones entre estas capas, un paso que empuja el metal fuera de la oblea semiconductora hacia la superficie. El metal forma partículas a nanoescala que tienen el mismo propósito que las costosas motas de oro y platino de investigaciones anteriores. Su tamaño y ubicación se pueden controlar con precisión variando el ángulo y la intensidad del haz de iones. Y la aplicación del haz de iones una y otra vez entre cada capa crea un semiconductor con las nanopartículas intercaladas en todas partes.

"Si adapta cuidadosamente el tamaño y el espaciado de las nanopartículas y la profundidad a la que están incrustadas, puede encontrar un punto óptimo que mejore las emisiones de luz, "dijo Myungkoo Kang, ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Goldman y primer autor del estudio. "Este proceso nos brinda una forma mucho más simple y menos costosa de hacerlo".

Los investigadores han sabido durante años que las partículas metálicas pueden acumularse en la superficie de los semiconductores durante la fabricación. Pero siempre fueron considerados una molestia, algo que sucedió cuando la combinación de elementos fue incorrecta o el tiempo no fue correcto.

"Desde los primeros días de la fabricación de semiconductores, el objetivo siempre fue rociar una capa suave de elementos sobre la superficie. Si los elementos formaran partículas en su lugar, se consideró un error, "Dijo Goldman." Pero nos dimos cuenta de que esos 'errores' son muy similares a las partículas que los fabricantes han estado tratando de incorporar en los LED. Así que descubrimos una manera de hacer limonada con limones ".

Hacia las capas de invisibilidad

Debido a que la técnica permite un control preciso sobre la distribución de nanopartículas, los investigadores dicen que algún día podría ser útil para las capas que hacen que los objetos sean parcialmente invisibles al inducir un fenómeno conocido como "refracción inversa".

La refracción inversa dobla las ondas de luz hacia atrás de una manera que no ocurre en la naturaleza, potencialmente dirigiéndolos alrededor de un objeto o lejos del ojo. Los investigadores creen que al dimensionar y espaciar cuidadosamente una serie de nanopartículas, pueden inducir y controlar la refracción inversa en longitudes de onda de luz específicas.

"Para el camuflaje de invisibilidad, necesitamos transmitir y manipular la luz de formas muy precisas, y eso es muy difícil hoy, Goldman dijo:"Creemos que este proceso podría darnos el nivel de control que necesitamos para que funcione".

El equipo ahora está trabajando para adaptar el proceso de haz de iones a los materiales específicos utilizados en los LED; estiman que los dispositivos de iluminación de mayor eficiencia podrían estar listos para el mercado en los próximos cinco años. con el encubrimiento de invisibilidad y otras aplicaciones en el futuro.

El estudio se titula "Formación de matrices de nanopartículas de Ga plasmónicas incrustadas y su influencia en la fotoluminiscencia de GaAs".