L'émission de lumière à large bande dans l'infrarouge s'est avérée d'une importance primordiale pour une large gamme d'applications qui incluent la qualité des aliments et la surveillance des produits/processus, recyclage, détection et surveillance de l'environnement, l'imagerie multispectrale dans l'automobile ainsi que la sûreté et la sécurité. Avec l'avènement de l'IoT et la demande croissante d'ajouter plus de fonctionnalités aux appareils portables (tels que les montres intelligentes, téléphones portables, etc.) l'introduction de spectromètres sur puce pour la surveillance de la santé, détection des allergènes inspection de la qualité des aliments, pour n'en nommer que quelques-uns, devrait arriver bientôt. Mais afin d'avoir de telles fonctionnalités facilement intégrées et mises en œuvre dans l'électronique grand public de production de masse, plusieurs conditions préalables doivent être remplies. Plus précisement, la source lumineuse doit être compacte, très efficace et idéalement intégré CMOS pour garantir une fabrication à faible coût et à haut volume.

Jusque là, des émetteurs de lumière à large bande dans l'infrarouge à ondes courtes (une partie du spectre infrarouge entre 1 et 2,5 um) dans laquelle fonctionnent ces applications susmentionnées, sont basés sur la technologie du siècle précédent, qui est en fait basé sur des sources lumineuses à incandescence, c'est-à-dire des radiateurs à corps noir. Même si leur coût de production est faible, leur fonctionnalité est basée sur le principe du chauffage, qui ne permet pas la miniaturisation de ces sources, se retrouver dans des facteurs de forme volumineux. De plus, la dissipation thermique devient un problème majeur lorsqu'il s'agit d'intégration dans des systèmes portables compacts. Ce qui aggrave encore les choses, c'est le fait que ces sources sont à large bande incontrôlables, émettant sur un spectre beaucoup plus large que ce qui est habituellement nécessaire, ce qui signifie qu'ils sont très inefficaces car la plupart de la lumière générée est essentiellement inutile.

Pour relever ce défi, Les chercheurs ICFO Dr. Santanu Pradhan et Dr. Mariona Dalmases dirigés par ICREA Prof. à ICFO Gerasimos Konstantatos, a développé une nouvelle classe d'émetteurs de lumière à semi-conducteurs à large bande basés sur la technologie des couches minces à points quantiques colloïdaux (CQD). Les résultats de leur étude ont été publiés dans la revue Matériaux avancés .

Maintenant, Les CQD offrent les avantages d'une solution de traitement à faible coût, intégration CMOS facile et bande interdite facilement réglable. En exploitant ces propriétés, Les chercheurs de l'ICFO ont conçu et mis au point une multi-pile de CQD de différentes tailles, qui s'est montré capable d'émettre de la lumière avec un spectre qui dépend de la taille des QD émetteurs. La séquence et l'épaisseur des couches ont été optimisées pour maximiser l'efficacité de photoconversion de ce type de nanophosphore à conversion descendante de film mince. Les piles ont été construites sur un substrat en plastique souple qui a ensuite été collé sur une LED émettant dans le visible. Cette LED émet une lumière visible qui est ensuite absorbée et convertie par les CQD en lumière infrarouge avec un spectre souhaité et, plus important, avec une efficacité de conversion de photons exceptionnelle de 25 %. Ils ont montré que la forme du spectre d'émission peut être ajustée en choisissant les populations appropriées de tailles CQD. Pour ce cas particulier, les chercheurs ont développé une source lumineuse à large bande couvrant une plage d'émission comprise entre 1100 et 1700 nm avec une FWHM de 400 nm.

Puis, en exploitant la nature conductrice des couches minces CQD, les chercheurs ont pu aller plus loin dans leur expérience et également construire des LED à large bande actives à commande électrique avec un FWHM supérieur à 350 nm et une efficacité quantique de 5%. Une telle réalisation représente la première LED infrarouge à ondes courtes (SWIR) à large bande à commande électrique monolithique qui n'a pas besoin de dépendre de sources lumineuses externes pour l'excitation. C'est une découverte remarquable car les technologies actuellement disponibles basées sur les semi-conducteurs III-V sont non seulement incompatibles avec le CMOS, mais nécessitent également l'utilisation de plusieurs puces InGaAs sous la forme d'un réseau pour délivrer un spectre large bande, ce qui ajoute de la complexité, augmentation des coûts et du volume de l'appareil.

Finalement, démontrer l'adéquation de cette technologie à des applications de marché basées sur des techniques de spectroscopie, l'équipe de chercheurs a recherché plusieurs exemples de cas réels qui pourraient être de bons candidats pour une telle technologie. Ils ont pris leur configuration de source lumineuse CQD et en l'assemblant avec des spectromètres disponibles dans le commerce, ils ont pu distinguer différents types de plastiques, liquides et laits qui ont des signatures spectrales distinctes dans le SWIR. Les résultats positifs ouvrent un nouveau domaine pour le domaine de la spectroscopie SWIR car ils prouvent que cette technologie pourrait certainement être utilisée pour des applications allant du tri des plastiques au processus de recyclage, à la santé et à la sécurité ou encore à l'inspection des aliments, pour n'en nommer que quelques-uns.