Los LEDs blancos han sustituido paulatinamente a las lámparas incandescentes y fluorescentes debido a su alta eficiencia energética, vida útil prolongada, durabilidad y bajo costo de mantenimiento. Esto les ha llevado a ser la principal fuente de iluminación en todo el mundo. Sin embargo, su desarrollo tecnológico no se ha detenido y continuamente surgen nuevos avances que pueden llevar a esta tecnología a nuevas cotas de innovación. 

Un ejemplo de ello son los nuevos desarrollos relacionados con los cristales fotónicos o nanoantenas de fósforo, las cuales prometen un mejor control óptico para el desarrollo de fuentes de luz de la próxima generación. 

En nanofotónica, los nanoelementos que dispersan la luz se denominan nanoantenas por su capacidad de aprovechar la luz. Los fósforos nanoantena, es decir, las placas de fósforo combinadas con nanoantenas, permiten un control espacial y espectral de la luminiscencia. Sin embargo, aunque los estudios sobre nanoantenas han mostrado la mejora de la emisión en una dirección específica, falta en gran medida la evaluación de la distribución total de la radiación, así como la eficiencia de conversión. 

Una forma de mejorar los actuales LEDs blancos es mediante la utilización de diodos láseres blancos, compuestos por fósforos amarillos y un diodo láser azul. Si bien los diodos láseres azules son altamente direccionales, los fósforos amarillos irradian en todas las direcciones, lo que resulta en una mezcla no deseada de colores.

Para abordar este problema, nuevos desarrollos han utilizado  placas de fósforo combinadas con nanoantenas utilizando aluminio metálico, lo que permite una mayor fotoluminiscencia. Las nanopartículas de aluminio dispersan eficazmente la luz y mejoran la intensidad y la direccionalidad de la luz; sin embargo, el aluminio también absorbe la luz, reduciendo la salida. Este es un gran cuello de botella, especialmente en aplicaciones de iluminación de alta intensidad.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Kioto ha logrado una mejora de diez veces de la fotoluminiscencia dirigida hacia adelante al reemplazar el aluminio por un mejor material.

“Resulta que el dióxido de titanio es una mejor opción por su alto índice de refracción y su absorción de poca luz”, detalla el autor principal de la investigación Shunsuke Murai.

El fósforo nanoantena desarrollado por el equipo consiste en una matriz hexagonal de nanoparticulas de dióxido de titanio (TiO2), fabricadas sobre una placa de fósforo de granate de itrio y aluminio dopado con Ce3+ (YAG:Ce).

Aunque la intensidad de la distorsión de la luz del óxido de titanio parecía inicialmente inferior a la del aluminio metálico, el equipo utilizó simulaciones por ordenador para diseñar el diseño óptimo de la nanoantena.

Los resultados experimentales aclaran que la nanoantena aumenta la emisión frontal y disminuye la emisión lateral, mientras que la intensidad total de la emisión permanece inalterada. Los investigadores mejoraron aun más la emisión frontal depositando un reflector de Bragg en al parte inferior de la Placa. Un sencillo modelo analítico puede explicar los efectos del tamaño de la antena, el grosor de la placa y el reflector de Bragg sobre la distribución de la radiació

“Los nuevos fósforos de nanoantena son ventajosos para una iluminación de estado sólido intensamente brillante y a la vez ahorradora de energía, porque pueden suprimir el aumento de temperatura cuando se irradian”, explica Murai. “Durante el proceso de encontrar las dimensiones óptimas, nos sorprendió descubrir que los fósforos más delgados dieron la fotoluminiscencia más brillante, demostrando cómo aumentar la intensidad de la radiación hacia adelante y el rendimiento general”.

El estudio permite, por tanto,  comprender el flujo de fotones en el interior de los fósforos de las nanoantenas y es útil para el uso eficiente de la fotoluminiscencia.Los resultados de la investigación fueron publicados en el Journal of Materials Chemistry C, bajo el título “Photoluminescence engineering with nanoantenna phosphors”. 

Créditos Imagen de portada: KyotoU/Shunsuke Murai