Les physiciens développent des LED à base de nanofils avec une intensité lumineuse 5 fois plus élevée

• Les chercheurs utilisent des nanofils et un type spécial de coque pour construire des diodes électroluminescentes ultraviolettes.
• Elles produisent une intensité lumineuse 5 fois plus élevée que les LED basées sur une conception de coque conventionnelle.

Les diodes électroluminescentes ultraviolettes (LED UV) sont utilisées dans un nombre croissant d'applications telles que la purification de l'eau, la spectroscopie, le durcissement des photopolymères et la désinfection médicale.

Les LED à UV profond basées sur des nanofils ont récemment attiré beaucoup d'attention, car elles peuvent fournir de nouvelles fonctionnalités liées à leur taille nanométrique et à leur nature discrète. Par exemple, les LED à nanofil unique peuvent être utilisées pour construire de nouveaux systèmes pour la lithographie optique par sous-diffraction, qui pourraient être transformés en matrices pixelisées pour la lithographie au niveau des tranches.

Récemment, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology ont utilisé un type spécial de coque pour développer des LED UV à base de nanofils qui produisent une intensité lumineuse 5 fois plus élevée que les LED basées sur une conception de coque conventionnelle.

Comment ont-ils fait ?

Dernièrement, l'équipe a travaillé sur des noyaux de nanofils en nitrate de gallium dopé au silicium (contient des électrons supplémentaires) entourés de coques en nitrate de gallium dopé au magnésium (contient un surplus de « trous » pour les électrons manquants). Lorsqu'un trou fusionne avec un électron, une quantité importante d'énergie est éjectée sous forme de lumière; ce processus est appelé électroluminescence.

En 2017, ils ont révélé des LED au nitrate de gallium qui impliquaient d'injecter des électrons dans la couche de coque pour fusionner avec des trous et produire finalement une lumière de haute intensité. Les nouvelles LED fonctionnent de manière similaire, sauf que cette fois, les chercheurs ont ajouté une petite quantité d'aluminium à la couche de coque.

Référence :Nanotechnologie | doi:10.1088/1361-6528/ab07ed | NIST

L'aluminium minimise les pertes dues au débordement d'électrons et à la réabsorption de la lumière. Plus précisément, il apporte une asymétrie au sein du courant électrique, empêchant les électrons de se déplacer dans la couche de coquille. Cela confine les trous et les électrons au cœur du nanofil, ce qui entraîne une intensité lumineuse cinq fois plus élevée.

LED à base de nanofils | L'incorporation d'une petite quantité d'aluminium à la couche de coque (noir) confine les trous et les électrons dans le noyau du nanofil (zone multicolore), générant une lumière intense | Avec l'aimable autorisation des chercheurs 

Les chercheurs ont utilisé une structure dite « p-i-n » pour fabriquer des LED à partir de nanofils. La structure représente une conception à trois couches pour l'injection d'électrons et de trous dans le nanofil.

Plus le diamètre d'un nanofil est grand, plus l'aluminium peut être incorporé dans les structures fabriquées. Le nanofil développé dans cette étude avait une longueur de 440 nanomètres et une épaisseur de coque de 40 nanomètres. Les LED résultantes étaient presque 10 fois plus grandes.

Mise en œuvre de la technologie

L'équipe détient déjà un brevet pour un dispositif qui intègre une LED avec une microscopie à sonde à balayage micro-ondes pour des tests sûrs et sans contact des nanostructures semi-conductrices. Il peut également être utilisé pour étudier la structure cellulaire et le déploiement des protéines.

Alors que les structures explorées dans ce travail ciblaient la composition approximative nécessaire au confinement des porteurs, une fraction plus élevée d'aluminium peut aider les chercheurs à configurer la longueur d'onde et à contrôler l'émission/polarisation dans le noyau de nitrate de gallium. Cependant, cela reste un sujet de travail futur.

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Actuellement, les chercheurs travaillent avec deux organisations privées pour développer des micro-LED à base de nanofils. L'un d'eux a accepté de construire des techniques de caractérisation des dopants et des structures. L'équipe fera bientôt la démonstration des prototypes d'outils LED.