Breedbandlichtemissie in het infrarood is van het allergrootste belang gebleken voor een groot aantal toepassingen, waaronder voedselkwaliteit en product-/procesbewaking, recyclen, omgevingsdetectie en -bewaking, multispectrale beeldvorming in de automobielindustrie en veiligheid en beveiliging. Met de komst van IoT en de toenemende vraag naar het toevoegen van meer functionaliteiten aan draagbare apparaten (zoals slimme horloges, mobiele telefoons etc.) de introductie van on-chip spectrometers voor gezondheidsmonitoring, allergenen detectie voedselkwaliteitsinspectie, om er een paar te noemen, zal naar verwachting binnenkort gebeuren. Maar om dergelijke functionaliteiten gemakkelijk te kunnen integreren en implementeren in consumentenelektronica voor massaproductie, er moet aan een aantal voorwaarden worden voldaan. Specifieker, de lichtbron moet compact zijn, zeer efficiënt en ideaal CMOS-geïntegreerd om goedkope en hoge productievolumes te garanderen.

Tot dusver, breedbandlichtstralers in het kortegolf-infrarood (een deel van het infraroodspectrum tussen 1-2,5 um) waarin deze bovengenoemde toepassingen werken, zijn gebaseerd op de technologie van de vorige eeuw, die eigenlijk is gebaseerd op gloeilampen, d.w.z. zwarte lichaamsradiatoren. Hoewel hun productiekosten laag zijn, hun functionaliteit is gebaseerd op het principe van verwarming, waardoor miniaturisering van die bronnen niet mogelijk is, eindigend in omvangrijke vormfactoren. Bovendien wordt warmteafvoer een groot probleem als het gaat om integratie in compacte draagbare systemen. Wat de zaken nog erger maakt, is het feit dat deze bronnen oncontroleerbaar breedband zijn, uitzenden over een spectrum dat veel breder is dan gewoonlijk nodig is, wat betekent dat ze zeer inefficiënt zijn, aangezien het grootste deel van het gegenereerde licht in wezen nutteloos is.

Om deze uitdaging aan te gaan, ICFO-onderzoekers Dr. Santanu Pradhan en Dr. Mariona Dalmases onder leiding van ICREA Prof. bij ICFO Gerasimos Konstantatos, ontwikkelde een nieuwe klasse van breedband solid state light emitters op basis van colloïdale quantum dot (CQD) dunne film technologie. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Nutsvoorzieningen, CQD's bieden de voordelen van goedkope verwerkbaarheid van oplossingen, eenvoudige CMOS-integratie en een gemakkelijk afstembare bandgap. Door gebruik te maken van deze eigenschappen, ICFO-onderzoekers ontwierpen en ontwikkelden een multi-stack CQD's van verschillende grootte, die bleek in staat te zijn om licht uit te zenden met een spectrum dat afhangt van de grootte van de emitterende QD's. De volgorde en dikte van de lagen werd geoptimaliseerd om de fotoconversie-efficiëntie van deze neerwaartse conversie van nanofosfortype dunne film te maximaliseren. De stapels werden bovenop een flexibel plastic substraat gebouwd dat vervolgens op een LED werd gelijmd die in het zichtbare bereik uitstraalt. Deze LED straalt zichtbaar licht uit dat vervolgens wordt geabsorbeerd en door de CQD's wordt omgezet in infrarood licht met een gewenst spectrum en, belangrijker, met een uitstekende fotonconversie-efficiëntie van 25%. Ze toonden aan dat de vorm van het emissiespectrum kan worden afgestemd door de juiste populaties van CQD-groottes te kiezen. Voor dit specifieke geval, de onderzoekers ontwikkelden een breedbandlichtbron met een emissiebereik tussen 1100-1700 nm met een FWHM van 400 nm.

Vervolgens, door gebruik te maken van de geleidende aard van de CQD-dunne films, de onderzoekers waren in staat om een ​​stap verder te gaan in hun experiment en ook elektrisch aangedreven actieve breedband-LED's te bouwen met een FWHM van meer dan 350 nm en een kwantumefficiëntie van 5%. Een dergelijke prestatie vertegenwoordigt de eerste monolithische elektrisch aangedreven breedband Short Wave Infrared (SWIR) LED die niet afhankelijk is van externe lichtbronnen voor excitatie. Dit is een opmerkelijke ontdekking, aangezien de huidige beschikbare technologieën op basis van III-V-halfgeleiders niet alleen CMOS-incompatibel zijn, maar vereisen ook het gebruik van meerdere InGaAs-chips in de vorm van een array om een ​​breedbandspectrum te leveren, wat complexiteit toevoegt, de kosten en het apparaatvolume nemen toe.

Eindelijk, om aan te tonen hoe geschikt deze technologie zou kunnen zijn voor markttoepassingen op basis van spectroscopietechnieken, het team van onderzoekers ging op zoek naar verschillende praktijkvoorbeelden die goede kandidaten zouden kunnen zijn voor dergelijke technologie. Ze namen hun CQD-lichtbronopstelling en door deze samen te stellen met in de handel verkrijgbare spectrometers, ze konden onderscheid maken tussen verschillende soorten kunststoffen, vloeistoffen en melk met verschillende spectrale handtekeningen in de SWIR. De succesvolle resultaten openen een nieuw terrein voor het veld van SWIR-spectroscopie, omdat ze bewijzen dat deze technologie zeker kan worden gebruikt voor toepassingen die variëren van het sorteren van plastic tot het recyclingproces, gezondheid en veiligheid of zelfs voedselinspectie, om er een paar te noemen.