Un nuevo diseño para diodos emisores de luz (LED) desarrollado por un equipo que incluye a científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) puede ser la clave para superar una limitación de larga data en la eficiencia de las fuentes de luz. El concepto, demostrado con LED microscópicos en el laboratorio, logra un aumento dramático en el brillo, así como la capacidad de crear luz láser, todas características que podrían hacerla valiosa en una variedad de aplicaciones miniaturizadas y a gran escala.

El equipo, que también incluye a científicos de la Universidad de Maryland, Instituto Politécnico Rensselaer y el Centro de Investigación IBM Thomas J. Watson, detalló su trabajo en un artículo publicado hoy en la revista revisada por pares Avances de la ciencia . Su dispositivo muestra un aumento de brillo de 100 a 1, 000 veces más pequeño convencional, diseños de LED de tamaño submicrónico.

"Es una nueva arquitectura para fabricar LED, "dijo Babak Nikoobakht de NIST, quien concibió el nuevo diseño. "Usamos los mismos materiales que en los LED convencionales. La diferencia en los nuestros es su forma".

Los LED existen desde hace décadas, pero el desarrollo de LED brillantes ganó un premio Nobel y marcó el comienzo de una nueva era de iluminación. Sin embargo, incluso los LED modernos tienen una limitación que frustra a sus diseñadores. Hasta cierto punto, alimentar un LED con más electricidad hace que brille más intensamente, pero pronto el brillo se desvanece, haciendo que el LED sea altamente ineficiente. Denominado "caída de la eficiencia" por la industria, el problema se interpone en el camino de los LED que se utilizan en una serie de aplicaciones prometedoras, desde la tecnología de las comunicaciones hasta la eliminación de virus.

Si bien su novedoso diseño LED supera la caída de eficiencia, los investigadores no se propusieron inicialmente resolver este problema. Su principal objetivo era crear un LED microscópico para su uso en aplicaciones muy pequeñas, como la tecnología de laboratorio en un chip que los científicos del NIST y otros lugares están buscando.

El equipo experimentó con un diseño completamente nuevo para la parte del LED que brilla:a diferencia del plano, diseño plano utilizado en LED convencionales, los investigadores construyeron una fuente de luz de largo, hebras delgadas de óxido de zinc a las que se refieren como aletas. (Largo y delgado son términos relativos:cada aleta tiene solo unos 5 micrómetros de longitud, extendiéndose alrededor de una décima parte del ancho de un cabello humano promedio.) Su conjunto de aletas parece un peine diminuto que puede extenderse a áreas tan grandes como 1 centímetro o más.

"Vimos una oportunidad en las aletas, como pensé que su forma alargada y sus grandes facetas laterales podrían recibir más corriente eléctrica, "Dijo Nikoobakht." Al principio solo queríamos medir cuánto podía tomar el nuevo diseño. Empezamos a aumentar la corriente y pensamos que lo conduciríamos hasta que se quemara, pero siguió haciéndose más brillante ".

Su novedoso diseño brilló brillantemente en longitudes de onda a caballo entre el borde entre violeta y ultravioleta, generando alrededor de 100 a 1, 000 veces más potencia que los LED diminutos típicos. Nikoobakht caracteriza el resultado como un descubrimiento fundamental significativo.

"Un LED típico de menos de un micrómetro cuadrado de área brilla con aproximadamente 22 nanovatios de potencia, pero este puede producir hasta 20 microvatios, "Sugiere que el diseño puede superar la caída de eficiencia en los LED para hacer fuentes de luz más brillantes".

"Es una de las soluciones más eficientes que he visto, "dijo Grigory Simin, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Carolina del Sur que no participó en el proyecto. "La comunidad ha estado trabajando durante años para mejorar la eficiencia del LED, y otros enfoques a menudo tienen problemas técnicos cuando se aplican a LED de longitud de onda submicrométrica. Este enfoque hace bien el trabajo ".

El equipo hizo otro descubrimiento sorprendente al aumentar la corriente. Mientras que el LED brillaba en un rango de longitudes de onda al principio, su emisión comparativamente amplia finalmente se redujo a dos longitudes de onda de color violeta intenso. La explicación se hizo clara:su diminuto LED se había convertido en un diminuto láser.

"Convertir un LED en un láser requiere un gran esfuerzo. Por lo general, requiere acoplar un LED a una cavidad de resonancia que permite que la luz rebote para hacer un láser, ", Dijo Nikoobakht." Parece que el diseño de la aleta puede hacer todo el trabajo por sí solo, sin necesidad de añadir otra cavidad ".

Un láser diminuto sería fundamental para aplicaciones a escala de chip, no solo para detección química, sino también en productos de comunicaciones portátiles de próxima generación, Pantallas de alta definición y desinfección.

"Tiene mucho potencial para ser un componente importante, ", Dijo Nikoobakht." Si bien este no es el láser más pequeño que la gente ha hecho, es muy brillante. La ausencia de disminución de la eficiencia podría hacerlo útil ".