Une photo de microscopie montrant un réseau de nanoparticules métalliques placées avec précision à la surface d'un semi-conducteur à l'arséniure de gallium. Crédit :Avec l'aimable autorisation de Rachel S. Goldman, Ingénierie du Michigan
Dans une avancée qui pourrait augmenter l'efficacité de l'éclairage LED de 50 % et même ouvrir la voie à des dispositifs de dissimulation d'invisibilité, une équipe de chercheurs de l'Université du Michigan a développé une nouvelle technique qui parsème des nanoparticules métalliques dans des semi-conducteurs.
C'est la première technique qui permet de faire croître à peu de frais des nanoparticules métalliques à la fois sur et sous la surface des semi-conducteurs. Le processus n'ajoute pratiquement aucun coût pendant la fabrication et son efficacité améliorée pourrait permettre aux fabricants d'utiliser moins de semi-conducteurs dans les produits finis, les rendant moins chers.
Les nanoparticules métalliques peuvent augmenter l'efficacité des LED de plusieurs manières. Ils peuvent agir comme de minuscules antennes qui modifient et redirigent l'électricité qui traverse le semi-conducteur, en transformer plus en lumière. Ils peuvent également aider à réfléchir la lumière hors de l'appareil, l'empêchant d'être piégé à l'intérieur et gaspillé.
Le processus peut être utilisé avec le nitrure de gallium utilisé dans l'éclairage LED et peut également augmenter l'efficacité dans d'autres produits semi-conducteurs, y compris les cellules solaires. C'est détaillé dans une étude publiée dans le Journal de physique appliquée .
"Il s'agit d'un ajout transparent au processus de fabrication, et c'est ce qui le rend si excitant, " a déclaré Rachel Goldman, U-M professeur de science et d'ingénierie des matériaux, et physique. « La capacité de créer des structures 3D avec ces nanoparticules ouvrira de nombreuses possibilités. »
Nanoparticules d'arséniure de gallium se formant à la surface d'un semi-conducteur. Avec l'aimable autorisation de Rachel S. Goldman, Université du Michiganprofesseur en science et ingénierie des matériaux
L'innovation clé
L'idée d'ajouter des nanoparticules pour augmenter l'efficacité des LED n'est pas nouvelle. Mais les efforts antérieurs pour les incorporer ont été peu pratiques pour la fabrication à grande échelle. Ils se sont concentrés sur les métaux chers comme l'argent, or et platine. En outre, la taille et l'espacement des particules doivent être très précis; cela nécessitait des étapes de fabrication supplémentaires et coûteuses. Par ailleurs, il n'y avait aucun moyen rentable d'incorporer des particules sous la surface.
L'équipe de Goldman a découvert un moyen plus simple qui s'intègre facilement au processus d'épitaxie par faisceau moléculaire utilisé pour fabriquer des semi-conducteurs. L'épitaxie par faisceau moléculaire pulvérise plusieurs couches d'éléments métalliques sur une plaquette. Cela crée exactement les bonnes propriétés conductrices pour un objectif donné.
Les chercheurs de l'UM ont appliqué un faisceau d'ions entre ces couches, une étape qui pousse le métal hors de la plaquette semi-conductrice et sur la surface. Le métal forme des particules à l'échelle nanométrique qui ont le même objectif que les coûteuses taches d'or et de platine dans des recherches antérieures. Leur taille et leur placement peuvent être contrôlés avec précision en faisant varier l'angle et l'intensité du faisceau d'ions. Et appliquer le faisceau d'ions encore et encore entre chaque couche crée un semi-conducteur avec les nanoparticules dispersées partout.
"Si vous adaptez soigneusement la taille et l'espacement des nanoparticules et à quelle profondeur elles sont intégrées, vous pouvez trouver un sweet spot qui améliore les émissions lumineuses, " dit Myungkoo Kang, un ancien étudiant diplômé du laboratoire de Goldman et premier auteur de l'étude. "Ce processus nous donne un moyen beaucoup plus simple et moins coûteux de le faire."
Les chercheurs savent depuis des années que les particules métalliques peuvent s'accumuler à la surface des semi-conducteurs lors de la fabrication. Mais ils ont toujours été considérés comme une nuisance, quelque chose qui s'est produit lorsque le mélange d'éléments était incorrect ou que le timing était incorrect.
La chambre de croissance principale de l'appareil à faisceau d'épitaxie moléculaire utilisé pour fabriquer les semi-conducteurs de nitrure de gallium infusés de nanoparticules. Les semi-conducteurs pourraient augmenter l'efficacité des LED jusqu'à 50 pour cent, et même conduire à des dispositifs de dissimulation d'invisibilité. Crédit :Photo de Joseph Xu, Michigan Ingénierie Communications et marketing
« Dès les premiers jours de la fabrication de semi-conducteurs, le but était toujours de pulvériser une couche lisse d'éléments sur la surface. Si les éléments formaient des particules à la place, c'était considéré comme une erreur, " a déclaré Goldman. "Mais nous avons réalisé que ces 'erreurs' sont très similaires aux particules que les fabricants ont essayé si fort d'incorporer dans les LED. Nous avons donc trouvé un moyen de faire de la limonade à partir de citrons."
Vers les capes d'invisibilité
Parce que la technique permet un contrôle précis de la distribution des nanoparticules, les chercheurs disent que cela pourrait un jour être utile pour les capes qui rendent les objets partiellement invisibles en induisant un phénomène connu sous le nom de "réfraction inverse".
La réfraction inverse courbe les ondes lumineuses vers l'arrière d'une manière qui ne se produit pas dans la nature, potentiellement les diriger autour d'un objet ou loin de l'œil. Les chercheurs pensent qu'en dimensionnant et en espaçant soigneusement un réseau de nanoparticules, ils peuvent être capables d'induire et de contrôler la réfraction inverse dans des longueurs d'onde spécifiques de la lumière.
"Pour le camouflage d'invisibilité, nous devons à la fois transmettre et manipuler la lumière de manière très précise, et c'est très difficile aujourd'hui, " Goldman a déclaré. "Nous pensons que ce processus pourrait nous donner le niveau de contrôle dont nous avons besoin pour le faire fonctionner."
L'équipe travaille maintenant à adapter le processus de faisceau d'ions aux matériaux spécifiques utilisés dans les LED. avec la dissimulation d'invisibilité et d'autres applications à venir dans le futur.
L'étude s'intitule "Formation de matrices de nanoparticules de Ga plasmoniques intégrées et leur influence sur la photoluminescence de GaAs".
