LEDs tradicionais são estruturas planas (planas) que são fabricadas da mesma forma que os transistores. Mas se houve progresso na produção de transistores na forma de canais verticais (FinFET), que permitem a passagem de altas correntes, ninguém ainda pensou em “colocar LEDs no limite” para que brilhem mais e funcionem por mais tempo. No entanto, o experimento já foi realizado e seus resultados são animadores.
Estrutura de LED de elemento luminoso vertical em perspectiva (NIST)
O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) dos Estados Unidos informou que, sob a liderança de seus cientistas, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Maryland, Rensselaer Polytechnic Institute e IBM Research Center. Thomas J. Watson projetou e testou a estrutura incomum dos menores LEDs. A estrutura do LED proposta pela equipe, testada em laboratório, proporcionou um aumento “acentuado” no brilho do brilho e ainda tornou possível transformar o LED em um laser semicondutor sem quaisquer ajustes adicionais (ressonadores, etc.).
Em comparação com minúsculos LEDs comuns de tamanhos submicrônicos, a solução proposta pelos cientistas mostrou um aumento no brilho de 100 a 1000 vezes. Isso é incrível, embora os cientistas tenham usado os mesmos materiais usados na produção de LEDs superbrilhantes em massa (nitreto de gálio, óxido de zinco, titânio, ouro). “Usamos os mesmos materiais dos LEDs convencionais. Nossa diferença [está] em sua forma ”, disse Babak Nikoobakht, líder do projeto e cientista do NIST.
Até certo ponto, aplicar mais eletricidade ao LED torna-o mais brilhante, mas logo o brilho diminui, tornando o LED muito ineficiente. Este problema, apelidado de “degradação da eficiência” pela indústria, está dificultando o uso de LEDs em uma série de aplicações promissoras, desde tecnologia de comunicação até eliminação de vírus.
Curiosamente, inicialmente, os cientistas do NIST não se propuseram a quebrar a barreira de baixa eficiência dos LEDs. Seu principal objetivo era criar um LED microscópico para uso em aplicações muito pequenas, como a tecnologia lab-on-a-chip, que está sendo desenvolvida por cientistas do NIST e outras organizações. Mas ficou melhor e nem um pouco lá (veja o artigo na Science Advances para mais detalhes).
Enquanto experimentavam um design completamente novo da parte brilhante do LED, os cientistas construíram uma fonte de luz a partir de longos filamentos finos de óxido de zinco, que eles chamam de aletas. Cada barbatana tem apenas 5 micrômetros de comprimento, o que é cerca de um décimo da largura de um cabelo humano médio. O comprimento das aletas ou nervuras pode chegar a um centímetro ou mais, o que definirá as características desses dispositivos.
Ilustração de um artigo na Science Advances
Como no caso dos transistores FinFET, cujos canais são circundados por uma porta em três lados, o elemento luminoso vertical do LED também possibilitou o fornecimento de corrente pelas faces laterais. O experimento literalmente abalou os cientistas. A estrutura vertical emitia luz com uma potência de até 20 µW, enquanto um LED plano de área semelhante poderia emitir não mais que 22 nW ou 100–1000 vezes mais fraco.
A segunda surpresa foi que, quando a corrente aumentou, o brilho de um LED “vertical” em um amplo espectro de ondas na fronteira do violeta com o ultravioleta se transformou em radiação de apenas duas ondas na faixa da luz ultravioleta intensa. Assim, o LED realmente se transformou em um laser semicondutor com um simples movimento da mão.
O minúsculo laser será crítico para aplicações em escala de chip, não apenas para amostragem química (análise), mas também para dispositivos de comunicação portáteis de próxima geração, monitores de alta resolução e descontaminação de superfície.
«Ele tem um grande potencial para se tornar um bloco de construção importante ”, disse Nikobakht. “Embora não seja o menor laser feito pelo homem, é muito brilhante. A falta de queda na eficiência pode torná-lo útil. “