Investigadores de UC Santa Bárbara continúan llevando al límite los avances en la tecnología LED y han logrado desarrollar un método que podrían allanar el camino hacia una iluminación LED con unos rendimientos y versatilidad nunca alcanzados. 

En un paper publicado en la revista Nature Photonics, el proceso de Ingeniería Eléctrica y Computación, Jonathan Schuller, junto con su equipo de investigación, presenta una nueva estrategia para explotar la funcionalidad de las metasuperficies en los dispositivos emisores de luz que podría permitir el desarrollo de una amplia variedad de productos LED más eficientes y versátiles. 

“Lo que mostramos en una nuevo tipo de arquitectura fotónica que no solo permite extraer más fotones, sino también dirigirlos hacia donde se desee. Esta mejora en el rendimiento se logra sin los componentes utilizados para el empaquetado externo que normalmente se utilizan en el desarrollo de los LED y que se utilizan para manipular la luz emitida por los mismos”, explica Schuller. 

La luz en los LEDs se genera en el material semiconductor cuando los electrones cargados negativamente, que viajan a lo largo de la red cristalina del semiconductor, se encuentran con huecos cargados positivamente (una ausencia de electrones) y pasan entonces a un estado de energía más bajo, liberando un fotón en el camino. En el curso de sus ensayos, los investigadores encontraron que una cantidad significativa de estos fotones se generaban pero no salían de los LED. Además, aunque las técnicas de empaquetamiento óptico, nano-modelado, y rugosidad de las superficies pueden mejorar la extracción de los LED, para dirigir esta luz emitida se necesitan componentes ópticos voluminosos. Las metasuperficies ópticas podrían proporcionar un control preciso sobre las formas de onda transmitidas y reflejadas, lo que sugieren una nueva forma para dirigir la emisión de luz. 

“Nos dimos cuenta de que si mirábamos la distribución angular del fotón emitido directamente por el semiconductor tendía a alcanzar un pico en una cierta dirección que normalmente quedaría atrapada dentro de la estructura del LED. Descubrimos que podíamos hacer un diseño alrededor de esta luz usando los conceptos tradicionales de las metasuperficies”, comenta Schuller. 

El diseño en que se basaron consiste en un conjunto de nanobarras de nitruro de galio (GaN) de 1,45 micrómetros de largo sobre un sustrato de zafiro, en que se incrustaron pozos cuánticos de nitruro indio y galio para confinar los electrones y los huecos y así emitir luz. Además de permitir que salga más luz de la estructura del semiconductor, el proceso polariza la luz, lo cual, según señalan los investigadores, “es crítico para muchas aplicaciones».

Nuevas clases de emisores de luz basados en metasuperficies

La idea del proyecto le vino al coautor de la investigación, Prasad Iyer, hace un par de años cuando estaba completando su doctorado en el laboratorio del profesor Schuller, en estudios centrados en la tecnología fotónica y los fenómenos ópticos a escalas de sublongitud de onda. Las metasuperficies, superficies de ingeniería con características de nanoescala que interactúan con la luz, fueron el foco de su investigación. 

“Una metasuperficie es esencialmente un conjunto de antenas de sub-longitud de onda”, dice Lyer, quien previamente investigaba cómo dirigir rayos láser con metasuperficies. Entendió que las metasuperficies típicas dependen de las propiedades altamente direccionales del rayo láser entrante para producir un rayo saliente altamente dirigido.

“Los LEDs, por otro lado, emiten luz  espontánea, en oposición a la luz estimulada y coherente del láser, por lo que la luz aparece como un rocío de fotones que viajan en todas las direcciones posibles. La pregunta era si podríamos, a través de un cuidadoso diseño a nanoescala y actuar sobre la superficie de los conductores, conducir los fotones generados en una dirección deseada”, explica Schuller. 

Pese a que otras investigaciones ya habían desarrollado “patrones” LED con metasuperficies. “Nadie había diseñado una forma de controlar la emisión de luz de un LED en una sola dirección”, señala Iyer.

Los resultados demuestran que las metodologías de diseño de metasuperficies pueden usarse para mejorar la luminiscencia de los sistemas de pozos cuánticos (QW-Quantum Wells). Se demuestra que las capas emisoras de QW embebidas  estratégicamente dentro de los elementos de la metasuperficie se acoplan fuertemente al diseño de la misma, emitiendo así una luz polarizada y unidireccional al romper las condiciones de simetría inherentes de los cristales fotónicos tradicionales. Además, esta nueva funcionalidad se complementa con las mejoras sustanciales conseguida en la salida de fotones a través de una mejor extracción de los mismo y la relajación por tensión. Estos resultados señalan el camino hacia nuevas clases de emisores de luz basados en metasuperficies donde se logra una emisión mejorada y direccional sin componentes de empaquetado externos.