Un equipo de investigación del ICFO ha desarrollado una nueva clase de emisor de luz en estado de sólido de banda ancha en el infrarrojo de onda corta que podría miniaturizarse, integrarse con la tecnología CMOS y utilizarse en múltiples aplicaciones relacionadas con la inspección de alimentos, salud o seguridad.
La emisión de luz de banda ancha en el infrarrojo está demostrando ser de suma importancia en una amplia gama de aplicaciones para múltiples industrias, haciendo que el uso de la espectroscopia en el infrarrojo cercano (NIR) y en el infrarrojo de onda corta (SWIR) se conviertan en unas técnicas indispensable para ellas. La vigilancia de las calidad de los alimentos, así como de productos y procesos, el reciclaje, la detección y la vigilancia del medio ambiente, la obtención de imágenes multiespectrales en el sector de la automoción, así como la seguridad y la protección son algunas de ellas. Además, con la llegada del IoT y la creciente demanda de añadir más funcionalidades a los dispositivos portátiles, como relojes inteligentes o el propio móvil, se espera que pronto se introduzcan espectrómetros en chip en estos dispositivos que permiten el desarrollo de nuevas funcionalidades relacionadas con la vigilancia de la salud, la detección de alérgenos o la inspección de la calidad de los alimentos, por ejemplo. Pero para que esas funcionalidades se integren y apliquen de forma fácil en la electrónica de producción en masa, es necesario cumplir varios requisitos previos. Más concretamente, las fuentes de luz deben ser compactas, altamente eficientes e idealmente CMOS integrada para garantizar una fabricación de bajo coste y alto volumen de producción.
Hasta ahora, los emisores de luz de banda ancha en el rango del infrarrojo de onda corta (una porción del espectro infrarrojo comprendido entre los 1 y 2,5 um) en el que funcionan las aplicaciones mencionadas anteriormente, se basan en la tecnología del siglo pasado, que en realidad se basa en fuentes de luz incandescente, es decir, en radiadores de cuerpo negro. Aunque su coste de producción es bajo, su funcionalidad se basa en el principio del calentamiento, 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 aún más las cosas es el hecho de que estas fuentes son incontrolablemente de banda ancha, emitiendo a lo largo de un espectro mucho más amplio de lo que normalmente se necesita, lo que significa que son altamente ineficientes ya que la mayor parte de la luz generada es esencialmente inútil.
Para hacer frente a este desafío, los investigadores del ICFO, Dr. Santanu Pradhan y Dra. Mariona Dalmases, dirigidos por el Prof. ICREA en el ICFO Gerasimos Konstantatos, desarrollaron una nueva clase de emisores de luz de estado sólido de banda ancha basados en la tecnología de película delgada de punto cuántico coloidal (CQD). Los resultados de su estudio han sido publicados recientemente en la revista Advanced Materials.
Estos CQD ofrecen la ventaja de ser una solución de bajo costo de procesamiento, fácil integración de CMOS y un ancho de banda fácilmente sintonizable. Aprovechando estas propiedades, los investigadores del ICFO diseñaron y fabricaron una “multi-pila” CQD de diferente tamaño, que demostró ser capaz de emitir luz con un espectro que depende del tamaño de los puntos cuánticos (QD) emisores. La secuencia y el grosor de las capas se optimizó 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, lo que es más importante, con una extraordinaria eficiencia de conversión de fotones del 25%. Demostraron que la forma del espectro de emisión puede ser sintonizada 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 – 1700 nm con un FWHM (Anchura a media altura que presenta un determinado pico de emisión) de 400 nm.
Luego, explotando la naturaleza conductora de las películas delgadas de CQD, los investigadores pudieron dar un paso más en su experimento y también construir LEDs activos de banda ancha impulsados eléctricamente con un FWHM superior a 350 nm y una eficiencia cuántica del 5%. Este logro representa el primer LED monolítico de infrarrojos de onda corta (SWIR) de banda ancha impulsado eléctricamente que no necesita depender de fuentes de luz externas para su excitación. Se trata de un descubrimiento notable, ya que las tecnologías disponibles actualmente basadas en semiconductores III-V no sólo son incompatibles con CMOS, sino que también requieren el uso de múltiples chips de InGaAs en forma de matriz para ofrecer un espectro de banda ancha, lo que añade complejidad, costo y aumento del volumen del dispositivo.
Por último, para demostrar cuán adecuada podría ser esta tecnología para las aplicaciones comerciales basadas en técnicas de espectroscopia, el equipo de investigadores buscó varios ejemplos de casos reales que pudieran ser buenos candidatos para dicha tecnología. Tomaron la configuración de la fuente de luz CQD y, al juntarla con espectrómetros disponibles en el mercado, pudieron distinguir entre diferentes tipos de plásticos, líquidos e incluso leches que tienen distintas firmas espectrales en el SWIR. Los resultados exitosos abren un nuevo campo para el campo de la espectroscopia SWIR, ya que demuestran que esta tecnología podría utilizarse definitivamente para aplicaciones que van desde la clasificación de plásticos en el proceso de reciclaje, hasta la salud y la seguridad o incluso la inspección de alimentos.
Créditos de imagen: ©ICFO
