Les chercheurs de l'UC Santa Barbara continuent de repousser un peu plus loin les limites de la conception LED avec une nouvelle méthode qui pourrait ouvrir la voie à une technologie d'affichage et d'éclairage LED plus efficace et polyvalente.

Dans un article publié en Photonique de la nature , Le professeur de génie électrique et informatique de l'UCSB Jonathan Schuller et ses collaborateurs décrivent cette nouvelle approche, ce qui pourrait permettre à une grande variété d'appareils LED, des casques de réalité virtuelle à l'éclairage automobile, de devenir à la fois plus sophistiqués et plus élégants.

"Ce que nous avons montré, c'est un nouveau type d'architecture photonique qui vous permet non seulement d'extraire plus de photons, mais aussi pour les diriger où vous voulez, " a déclaré Schuller. Cette amélioration des performances, il expliqua, est réalisé sans les composants d'emballage externes qui sont souvent utilisés pour manipuler la lumière émise par les LED.

La lumière dans les LED est générée dans le matériau semi-conducteur lorsqu'elle est excitée, les électrons chargés négativement voyageant le long du réseau cristallin du semi-conducteur rencontrent des trous chargés positivement (une absence d'électrons) et passent à un état d'énergie inférieur, libérant un photon en cours de route. Au cours de leurs mesures, les chercheurs ont découvert qu'une quantité importante de ces photons était générée mais ne sortait pas de la LED.

"Nous avons réalisé que si vous regardiez la distribution angulaire du photon émis avant la structuration, il avait tendance à culminer dans une certaine direction qui serait normalement piégée dans la structure LED, " a déclaré Schuller. " Et nous avons donc réalisé que vous pouviez concevoir autour de cette lumière normalement piégée en utilisant des concepts de métasurface traditionnels. "

La conception sur laquelle ils se sont installés consiste en un réseau de nanotiges de nitrure de gallium (GaN) de 1,45 micromètre de long sur un substrat de saphir, dans lesquels étaient noyés des puits quantiques de nitrure d'indium et de gallium, pour confiner les électrons et les trous et ainsi émettre de la lumière. En plus de permettre à plus de lumière de quitter la structure semi-conductrice, le processus polarise la lumière, quel co-auteur principal Prasad Iyer a dit, "est critique pour beaucoup d'applications."

Antennes à l'échelle nanométrique

L'idée du projet est venue à Iyer il y a quelques années alors qu'il terminait son doctorat dans le laboratoire de Schuller, où la recherche est axée sur la technologie photonique et les phénomènes optiques à des échelles inférieures à la longueur d'onde. Les métasurfaces, des surfaces conçues avec des caractéristiques à l'échelle nanométrique qui interagissent avec la lumière, étaient au centre de ses recherches.

"Une métasurface est essentiellement un réseau d'antennes sous-longueur d'onde, " dit Iyer, qui recherchait auparavant comment orienter des faisceaux laser avec des métasurfaces. Il a compris que les métasurfaces typiques reposent sur les propriétés hautement directionnelles du faisceau laser entrant pour produire un faisceau sortant hautement dirigé.

LED, d'autre part, émettre de la lumière spontanée, par opposition au laser stimulé, lumière cohérente.

"L'émission spontanée échantillonne toutes les voies possibles du photon, " a expliqué Schuller, ainsi la lumière apparaît comme une gerbe de photons voyageant dans toutes les directions possibles. La question était de savoir s'ils grâce à une conception et une fabrication minutieuses à l'échelle nanométrique de la surface du semi-conducteur, rassembler les photons générés dans la direction souhaitée ?

"Les gens ont déjà fait des motifs de LED, " Iyer a dit, mais ces efforts divisent invariablement le dans plusieurs directions, avec une faible efficacité. "Personne n'avait conçu un moyen de contrôler l'émission de lumière d'une LED dans une seule direction."

Bon endroit, Bon moment

C'était une énigme qui n'aurait pas trouvé de solution, Iyer a dit, sans l'aide d'une équipe de collaborateurs experts. GaN est exceptionnellement difficile à travailler et nécessite des processus spécialisés pour fabriquer des cristaux de haute qualité. Seuls quelques endroits dans le monde ont l'expertise pour fabriquer le matériau dans une conception aussi rigoureuse.

Heureusement, UC Santa Barbara, abrite le Centre d'Eclairage Solide et d'Electronique de l'Energie (SSLEEC), est l'un de ces endroits. Grâce à l'expertise de SSLEEC et de l'installation de nanofabrication de classe mondiale du campus, les chercheurs ont conçu et modelé la surface semi-conductrice pour adapter le concept de métasurface à l'émission de lumière spontanée.

"Nous avons été très chanceux de collaborer avec les experts mondiaux pour fabriquer ces choses, " a déclaré Schuller.