Nouvelles LED UV à nanofils : une lumière 5 fois plus intense pour applications avancées

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 de photopolymères et la désinfection médicale.

Comment ont-ils fait ?

Récemment, l'équipe a travaillé sur des cœurs de nanofils faits de nitrate de gallium dopé au silicium (contient des électrons supplémentaires) entourés de coquilles faites de nitrate de gallium dopé au magnésium (contient un excédent de « trous » pour les électrons manquants). Quand un trou fusionne avec un électron, une quantité significative d'énergie est éjectée sous forme de lumière ; ce processus s'appelle l'électroluminescence.

En 2017, ils ont révélé des LED à nitrate de gallium qui impliquaient l'injection d'électrons dans la couche de coquille pour fusionner avec les trous et finalement produire 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 coquille.

Référence : NanoTechnology | 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 spécifiquement, il apporte une asymétrie dans le 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 résulte en une intensité lumineuse cinq fois plus élevée.

LED à nanofil | L'incorporation d'une petite quantité d'aluminium dans la couche de coquille (noir) confine les trous et les électrons dans le cœur 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 un design à trois couches pour l'injection d'électrons et de trous dans le nanofil.

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

Implémentation de la technologie

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

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

Actuellement, les chercheurs travaillent avec deux organisations privées pour développer des micro-LED à base de nanofils. L'une d'elles a accepté de construire des techniques de caractérisation de dopant et de structure. L'équipe démontrera bientôt les outils LED prototypes.