La conception du pixel LED à ailettes comprend l'ailette en oxyde de zinc rougeoyant (violet), matériau diélectrique isolant (vert), et contact métallique (jaune sur vert). Crédit :B. Nikoobakht / N. Hanacek, NIST
Une nouvelle conception de diodes électroluminescentes (DEL) développée par une équipe comprenant des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) pourrait être la clé pour surmonter une limitation de longue date de l'efficacité des sources lumineuses. Le concept, démontré avec des LED microscopiques en laboratoire, atteint une augmentation spectaculaire de la luminosité ainsi que la capacité de créer une lumière laser, toutes caractéristiques qui pourraient la rendre précieuse dans une gamme d'applications à grande échelle et miniaturisées.
L'équipe, qui comprend également des scientifiques de l'Université du Maryland, Rensselaer Polytechnic Institute et IBM Thomas J. Watson Research Center, a détaillé ses travaux dans un article publié aujourd'hui dans la revue à comité de lecture Avancées scientifiques . Leur appareil montre une augmentation de la luminosité de 100 à 1, 000 fois plus petit que conventionnel, conceptions de LED de taille submicronique.
"C'est une nouvelle architecture pour fabriquer des LED, " a déclaré Babak Nikoobakht du NIST, qui a conçu le nouveau design. "Nous utilisons les mêmes matériaux que dans les LED conventionnelles. La différence entre les nôtres est leur forme."
Les LED existent depuis des décennies, mais le développement de LED lumineuses a remporté un prix Nobel et a inauguré une nouvelle ère de l'éclairage. Cependant, même les LED modernes ont une limitation qui frustre leurs concepteurs. Jusqu'à un certain point, alimenter une LED avec plus d'électricité la fait briller plus intensément, mais bientôt la luminosité baisse, rendant la LED très inefficace. Appelé "statisme d'efficacité" par l'industrie, le problème fait obstacle à l'utilisation des LED dans un certain nombre d'applications prometteuses, de la technologie des communications à l'élimination des virus.
Alors que leur nouvelle conception LED surmonte l'affaissement de l'efficacité, les chercheurs n'ont pas initialement entrepris de résoudre ce problème. Leur objectif principal était de créer une LED microscopique pour une utilisation dans de très petites applications, comme la technologie de laboratoire sur puce que les scientifiques du NIST et d'ailleurs poursuivent.
L'équipe a expérimenté un tout nouveau design pour la partie de la LED qui brille :contrairement à l'appartement, conception planaire utilisée dans les LED conventionnelles, les chercheurs ont construit une source lumineuse à partir de longs, minces brins d'oxyde de zinc qu'ils appellent des ailettes. (Long et mince sont des termes relatifs :chaque aileron est seulement d'environ 5 micromètres de longueur, s'étendant sur environ un dixième de la largeur d'un cheveu humain moyen.) Leur réseau de nageoires ressemble à un petit peigne qui peut s'étendre sur des zones aussi grandes que 1 centimètre ou plus.
"Nous avons vu une opportunité dans les palmes, car je pensais que leur forme allongée et leurs grandes facettes latérales pourraient recevoir plus de courant électrique, " Nikoobakht a déclaré. "Au début, nous voulions juste mesurer combien le nouveau design pouvait prendre. Nous avons commencé à augmenter le courant et avons pensé que nous le conduirions jusqu'à ce qu'il brûle, mais il n'a cessé de devenir plus lumineux."
Un réseau de LED à ailettes en forme de peigne, dont certains sont brillants (points brillants aux extrémités). Crédit :B. Nikoobakht / NIST
Leur conception originale brillait dans des longueurs d'onde à cheval sur la frontière entre le violet et l'ultraviolet, générer environ 100 à 1, 000 fois plus de puissance que les petites LED typiques. Nikoobakht caractérise le résultat comme une découverte fondamentale importante.
"Une LED typique de moins d'un micromètre carré de surface brille avec une puissance d'environ 22 nanowatts, mais celui-ci peut produire jusqu'à 20 microwatts, ", a-t-il déclaré. "Cela suggère que la conception peut surmonter l'affaissement de l'efficacité des LED pour créer des sources lumineuses plus lumineuses."
"C'est l'une des solutions les plus efficaces que j'ai vues, " dit Grigori Simin, un professeur de génie électrique à l'Université de Caroline du Sud qui n'était pas impliqué dans le projet. "La communauté travaille depuis des années pour améliorer l'efficacité des LED, et d'autres approches ont souvent des problèmes techniques lorsqu'elles sont appliquées à des LED de longueur d'onde submicrométrique. Cette approche fait bien le travail. »
L'équipe a fait une autre découverte surprenante en augmentant le courant. Alors que la LED brillait dans une gamme de longueurs d'onde au début, son émission relativement large s'est finalement rétrécie à deux longueurs d'onde de couleur violette intense. L'explication est devenue claire :leur minuscule LED était devenue un minuscule laser.
« Convertir une LED en laser demande beaucoup d'efforts. Cela nécessite généralement de coupler une LED à une cavité de résonance qui permet à la lumière de rebondir pour faire un laser, " a déclaré Nikoobakht. " Il semble que la conception des ailerons puisse faire tout le travail à elle seule, sans avoir besoin d'ajouter une autre cavité."
Un laser minuscule serait essentiel pour les applications à l'échelle de la puce, non seulement pour la détection chimique, mais aussi dans les produits de communication portables de nouvelle génération, affichages haute définition et désinfection.
"Il a beaucoup de potentiel pour être un élément important, " a déclaré Nikoobakht. " Bien que ce ne soit pas le plus petit laser que les gens aient fabriqué, c'est un très brillant. L'absence de statisme d'efficacité pourrait le rendre utile."
