Bredbands ljusutsläpp i det infraröda har visat sig vara av yttersta vikt för ett stort antal applikationer som inkluderar livsmedelskvalitet och produkt/processövervakning, återvinning, miljöavkänning och övervakning, multispektral avbildning inom fordonsindustrin samt säkerhet och säkerhet. Med tillkomsten av IoT och den ökande efterfrågan på att lägga till fler funktioner till bärbara enheter (som smarta klockor, mobiltelefoner etc.) införandet av on-chip spektrometrar för hälsoövervakning, allergendetektering livsmedelskvalitetsinspektion, för att nämna några, förväntas hända snart. Men för att ha sådana funktioner lätt integrerade och implementerade i massproduktion av konsumentelektronik, flera förutsättningar måste uppfyllas. Mer specifikt, ljuskällan måste vara kompakt, mycket effektiv och idealiskt CMOS integrerad för att garantera lågkostnad och hög volymtillverkning.

Än så länge, bredbandsljussändare i det kortvågiga infraröda (en del av det infraröda spektrumet mellan 1-2,5 um) inom vilket dessa ovannämnda applikationer fungerar, är baserade på tidigare århundrades teknik, som faktiskt är baserad på glödljuskällor, dvs svarta kroppsradiatorer. Även om deras produktionskostnad är låg, deras funktionalitet är baserad på principen om uppvärmning, som inte tillåter miniatyrisering av dessa källor, hamnar i skrymmande formfaktorer. Dessutom blir värmeavledning en stor fråga när det kommer till integration i kompakta bärbara system. Vad som gör saken ännu värre är det faktum att dessa källor är okontrollerbart bredband, emitterar över ett spektrum som är mycket bredare än vad som vanligtvis behövs, vilket innebär att de är mycket ineffektiva eftersom det mesta av det genererade ljuset i princip är oanvändbart.

För att möta denna utmaning, ICFO-forskarna Dr Santanu Pradhan och Dr Mariona Dalmases ledda av ICREA-professor vid ICFO Gerasimos Konstantatos, utvecklat en ny klass av bredbandsljussändare i fast tillstånd baserade på kolloidal quantum dot (CQD) tunnfilmsteknik. Resultaten av deras studie har publicerats i tidskriften Avancerade material .

Nu, CQD erbjuder fördelarna med att bearbeta lösningar till låg kostnad, enkel CMOS-integration och ett lätt avstämbart bandgap. Genom att utnyttja dessa egenskaper, ICFO-forskare designade och konstruerade en multi-stack av CQDs av olika storlek, som visade sig kunna sända ut ljus med ett spektrum som beror på storleken på de emitterande QD:erna. Sekvensen och tjockleken på skikten optimerades för att maximera fotokonverteringseffektiviteten för denna nedkonverterande nanofosfortyp av tunn film. Staplarna byggdes ovanpå ett flexibelt plastsubstrat som sedan limmades ovanpå en lysdiod som sänder ut i det synliga området. Denna LED avger synligt ljus som sedan absorberas och omvandlas av CQD:erna till infrarött ljus med ett önskat spektrum och, mer viktigt, med en enastående fotonkonverteringseffektivitet på 25 %. De visade att formen på emissionsspektrumet kan justeras genom att välja lämpliga populationer av CQD -storlekar. För detta specifika fall, forskarna utvecklade en bredbandsljuskälla som täcker ett emissionsområde mellan 1100–1700 nm med en FWHM på 400 nm.

Sedan, genom att utnyttja den ledande naturen hos CQD-tunna filmer, forskarna kunde ta ett steg längre i sitt experiment och även konstruera elektriskt drivna aktiva bredbandslysdioder med en FWHM på över 350 nm och en kvanteffektivitet på 5 %. Sådan prestation representerar den första monolitiska elektriskt drivna bredbands-Short Wave Infrared (SWIR) LED-lampan som inte behöver förlita sig på externa ljuskällor för excitation. Detta är en anmärkningsvärd upptäckt eftersom nuvarande tillgängliga teknologier baserade på III-V-halvledare inte bara är CMOS-inkompatibla, men kräver också användning av flera InGaAs-chips i form av en array för att leverera ett bredbandsspektrum, som tillför komplexitet, kostnad och enhetsvolym ökar.

Till sist, för att visa hur lämplig denna teknologi kan vara för marknadstillämpningar baserade på spektroskopitekniker, forskargruppen sökte efter flera verkliga exempel som kunde vara bra kandidater för sådan teknik. De tog sin CQD ljuskälla setup och genom att sätta ihop den med kommersiellt tillgängliga spektrometrar, de kunde skilja mellan olika typer av plast, vätskor och mjölk som har distinkta spektrala signaturer i SWIR. De framgångsrika resultaten öppnar en ny värld för SWIR-spektroskopi eftersom de bevisar att denna teknologi definitivt kan användas för applikationer som sträcker sig från plastsortering i återvinningsprocess, till hälsa och säkerhet eller till och med livsmedelsinspektion, för att nämna några.