Un nuevo diseño de LEDs desarrollado por un equipo formado por científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE.UU (NIST) puede ser clave para superar una de las principales limitaciones en cuenta eficiencia de la tecnología LED: la disminución del brillo de los LED a altas intensidades. El concepto, probado con LEDs microscópicos en laboratorio, logra un aumento drástico de la cantidad de luz así como de la capacidad de crear luz láser. El dispositivo muestra un incremento en cuanto al brillo del LED de entre 100 a 1000 veces superior a los diseños convencionales. 

Los LED han existido durante décadas, pero solo cuando se logró desarrollar diseños que proporcionaran una mayor cantidad de luz es cuando la tecnología logró convertirse en la predominante en el ámbito de la iluminación. Sin embargo, incluso los LED actuales tiene una limitación que sigue frustrando a sus diseñadores. Hasta cierto punto, alimentar un LED con una mayor intensidad hace que estos emitan una mayor luz, pero pronto el brillo disminuye haciendo que el LED sea altamente ineficiente. El efecto conocida en la industria como “efficency droop” o “caída de eficiencia”, no es más que la disminución de la eficiencia cuántica interna (IQE) con el aumento de la densidad de corriente, es una de las principales barreras para conseguir una tecnología LED que permita una mayor cantidad salida de luz y por tanto una mayor eficacia. 

La nueva investigación, publicada recientemente en la revista científica “Science Advances”, demuestra cómo superar este efecto, consiguiendo LEDs microscópicos con incrementos de brillo de entre 100 y 1.000 veces los LED convencionales. 

“Se trata de una nueva arquitectura para el desarrollo de LEDs. Utilizamos los mismos materiales que los LEDs convencionales, pero con una diferencia fundamental en cuanto a la forma”, explica  Babak Nikoobakht del NIST.

Aunque su novedoso diseño de LED supera este efecto de 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 «lab-on-a-chip» que los científicos del NIST están investigando. Los LED miniaturizados y los píxeles de láseres con fuentes puntuales de alta luminancia/luminosidad estan llamados en el futuro a revolucionar muchos campos relacionados con la tecnología LED. El principal desafío pendiente es que los nanoLED y los nanoláseres existentes son demasiado débiles para la mayoría de las aplicaciones prácticas, con potencias de salida en el rango de los nanovatios, debido al predominio de los efectos de caída de la temperatura y la densidad de corriente.

El equipo experimentó con un diseño completamente nuevo. A diferencia de los diseños planos en los LED convencionales, los investigadores construyeron una fuente de luz a base de largas y delgadas hebras de óxido de zinc, denominadas como “aletas”. El conjunto de aletas tiene forma de un pequeño peine que pueden extenderse a áreas de aproximadamente 1 cm y superior. Además el nuevo diseño permite la generación de potencias de salidas en el rango de los microvatios, unas 1000 veces más altas que los LEDs y láseres a nanoescala existentes. 

“Vimos una oportunidad en las aletas, ya que gracias a su forma alargada y sus grandes facetas laterales podrían recibir una mayor cantidad de corriente eléctrica. Probamos el dispositivo para medir hasta cuando podría alimentarse, y empezamos a aumentar la corriente y el dispositivo se hacía cada vez más brillante sin fundirse”, explica Nikoobakht.

“Un LED típico de menos de un micrómetro cuadrado brilla con unos 22 nanovatios de potencia, pero este puede producir luz  hasta 20 microvatios. El nuevo diseño sugiere que puede superar la caída de eficiencia de los LEDs para hacer fuentes de luz aún más brillantes”, afirma Nikoobakht

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

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 se redujo finalmente a dos longitudes de onda de color violeta intenso. La explicación se hizo clara: su pequeño LED se había convertido en un pequeño láser.

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

Un láser de estas dimensiones sería crítico para las aplicaciones a escala de chip no sólo para la detección química, sino también para los productos de comunicaciones de mano de próxima generación, las pantallas de alta definición y la desinfección. 

Imagen de portada: aleta de óxido de zinc brillante (púrpura), el material dieléctrico aislante (verde) y el contacto metálico (amarillo sobre verde). Créditos: B. Nikoobakht / N. Hanacek, NIST