Stanford Universitiy
Inženirji so s ponovnim pregledom znanih polprevodnikov razvili cenovno ugodno rešitev za infrardeče oddajnike in senzorje, ki ponuja možnosti za uporabo na področju okolja, medicine in industrije.
Raziskovalci so združili nekatere najstarejše polprevodniške materiale – svinčev selenid in svinčev-kositrov selenid – s sodobno tehnologijo, kar je privedlo do nove vrste infrardeče diode in novega načina za nadzor infrardeče svetlobe.
Menijo, da bi njihovi dosežki lahko privedli do novih infrardečih senzorjev in tehnologij, ki bi se lahko uporabljali v različnih komercialnih in industrijskih aplikacijah.
Z združitvijo klasičnih materialov in inovativnega oblikovanja bi te tehnologije lahko postale cenovno dostopne, manjše, odporne na napake in relativno enostavne za proizvodnjo z uporabo obstoječih zmogljivosti.
Po desetletjih intenzivnih raziskav so presenečenja na področju polprevodnikov – materialov, ki se uporabljajo v mikročipih za nadzor električnega toka – redka. Vendar so inženirji materialov s Stanfordske univerze v dveh objavljenih člankih predstavili obetaven pristop k uporabi dobro raziskanega polprevodnika za izboljšanje infrardečih svetlečih diod in senzorjev. Pravijo, da bi ta pristop lahko privedel do manjših, bolj elegantnih in cenejših infrardečih tehnologij za uporabo v varovanju okolja, medicini in industriji.
»Starega psa smo naučili novih trikov,« je dejal glavni avtor Kunal Mukherjee, docent za znanost o materialih in inženirstvo na Stanfordski inženirski fakulteti [1], s čimer je poudaril pomen tega dela. »Tako imenovani IV-VI materiali, s katerimi delamo – svinčev selenid in svinčev-kositrov selenid – so stari že več kot sto let. »So med najstarejšimi polprevodniki, ki so jih doslej zabeležili. Uspelo nam je najti način, kako jih združiti s sodobno tehnologijo, da smo lahko izdelali novo vrsto infrardeče diode in na pomembne načine nadzorovali infrardečo svetlobo.«
Nova dioda oddaja infrardečo svetlobo v želenem območju daljših valovnih dolžin (4000–5000 nanometrov), kar je primerno za zaznavanje plinov v zraku (na primer toplogrednih plinov v ozračju) ali v medicinskih okoljih (na primer merilniki ogljikovega dioksida).
Nepričakovana prednost novega pristopa je, da so tako nastalepolprevodne strukture »odporne proti napakam«. To pomeni, da ti materiali delujejo tudi, če niso izdelani z absolutno natančnostjo, kar je pri teh kristalih v nanometrskem obsegu skoraj nemogoče doseči. Takšna svoboda bi lahko znatno znižala stroške novih naprav.
Prav tako pa bi bilo te polprevodnike, ker so že dobro raziskani, mogoče proizvajati v nekaterih obstoječih obratih za proizvodnjo čipov, za proizvodnjo v komercialnem obsegu pa ne bi bila potrebna draga predelava proizvodnih zmogljivosti.
Pet let trajajoč projekt
S tehničnega vidika je izziv v tem, da se obnovljene materiale združi s sodobno tehnologijo. Vsi polprevodniki so sestavljeni iz kristalnih rešetk. Plasti teh različnih materialov se morajo med seboj elektronsko povezati, pri čemer uporaba lepil ni dovoljena. To ni lahka naloga.
Ti dve raziskovalni deli skupaj predstavljata pet let vztrajnega raziskovanja s pomočjo tehnike, znane kot epitaksija z molekularnim žarkom, pri kateri se zapleteni kristali gradijo atom za atomom, plast za plastjo.
»Potrebovali smo vsa ta leta, da smo ugotovili, kako te materiale pravilno gojiti, en atomski sloj za drugim,« je pojasnil soavtor Jarod Meyer, nekdanji podiplomski študent v Mukherjeejevem laboratoriju. »To pa je pomenilo, da je morala posebna oprema, kot je epitaksija z molekularnim žarkom, delovati neprekinjeno – vključno z nočnimi teki v laboratorij ob 2. uri zjutraj zaradi izpadov električne energije.«
Prva študija [2], objavljena v reviji »Advanced Optical Materials«, ki sta jo skupaj vodila Meyer in nekdanji podoktorski raziskovalec Leland Nordin, opisuje tehniko integracije in proizvodni postopek, s katerima so te stare polprevodniške materiale združili z drugimi pogostimi kristali, kot je galijev arzenid, ter tako ustvarili preprosto in učinkovito infrardečo platformo.
Pokazali so, da so diode presenetljivo svetle, kljub temu da imajo na kvadratni centimeter milijarde napak, imenovanih dislokacije. Sodobni polprevodniki takšne ravni napak redko prenesejo.
Drugi članek, objavljen v reviji Nano Letters [3] in pod vodstvom doktorske študentke Pooje Reddy, opisuje domiselno metodo za spreminjanje kristalne strukture, ki omogoča modulacijo in nadzor infrardeče svetlobe s pomočjo majhnih, a natančnih temperaturnih prilagoditev, zaradi katerih material prehaja med dvema dobro urejenima kristalnima strukturama.
»Večina raziskav na področju materialov s strukturno spremenljivostjo se osredotoča na prehode med neurejenimi in urejenimi stanji kristala,« je dejal Mukherjee in s tem poudaril glavni znanstveni dosežek članka. »Prehod med dvema urejenima stanjema ob ohranitvi vezave z galijevim arzenidom je pravzaprav najtežji del in glavna prednost te raziskave.«
Sprememba strukture vpliva na potek svetlobe skozi kristal, pri čemer se ta spreminja iz prosojne v neprosojno, kar omogoča vklop in izklop svetlobe, nadzor nad njeno jakostjo ali pa povzroča spremembe njene faze in polarizacije.
Kako naprej?
Večina tehnološkega razvoja na področju LED-ic se je osredotočala na vidno svetlobo. Nasprotno pa so se aplikacije infrardečega (IR) obsega – ki je za človeško oko neviden – razvijale počasneje, zato so današnje infrardeče tehnologije ponavadi okorne, drage in neelegantno zasnovane.
Mukherjee upa, da bo to spremenil, in napoveduje novo generacijo IR-naprav, ki bodo sodobne, cenovno konkurenčne in enostavne za proizvodnjo.
Inženirji lahko zdaj izkoristijo zmožnost integracije teh posodobljenih materialov z drugimi polprevodniki ter zmožnost povzročanja fizikalnih sprememb v kristalih za razvoj novih infrardečih naprav v valovnem območju do skoraj 10.000 nm.
Mukherjee je napovedal, da bi se ti senzorji lahko uporabljali za spremljanje okolja pri odkrivanju uhajanja plinov, v industrijskih in medicinskih postopkih, ki zahtevajo natančne infrardeče senzorje, ali v novih napravah za neinvazivno merjenje temperature, poleg drugih možnih področij uporabe.
»Infrardeča svetloba je bila v svetu LED-ic v preteklosti nekoliko spregledana, ker je ne vidimo, vendar bi lahko imela pomemben prispevek,« je dejal Mukherjee. »Upamo, da bodo ti dosežki vodili v novo obdobje napredka na področju infrardeče svetlobe.«
Avtorji prispevka v reviji Advanced Optical Materials prihajajo z Univerze v osrednji Floridi. Med avtorji prispevka v reviji Nano Letters so Arturas Vailionis, višji raziskovalec v organizaciji Stanford Nano Shared Facilities, ter raziskovalci z Univerze v Washingtonu.
Raziskavo, objavljeno v reviji Advanced Optical Materials, so podprli Nacionalna znanstvena fundacija (NSF), NSF Quantum Foundry Univerze Kalifornije v Santa Barbari, štipendija za translacijsko raziskovanje TomKat Centra za trajnostno energijo, podoktorska raziskovalna štipendija Laboratorija Geballe za napredne materiale ter Raziskovalni laboratorij vojaškega letalstva.
Del tega dela je bil opravljen v laboratorijih Stanford Nano Shared Facilities (SNSF) in Stanford Nanofabrication Facilities (nano@stanford) s podporo Nacionalne znanstvene fundacije.
Raziskava, objavljena v reviji Nano Letters, je bila podprta s strani Nacionalne znanstvene fundacije (National Science Foundation), Urada za raziskave kopenske vojske (Army Research Office), Agencije za napredne obrambne raziskovalne projekte (DARPA), štipendije Stanford Graduate Fellowship v znanosti in inženirstvu ter štipendije P.D. Soros Fellowship za nove Američane.
Pri tem delu je bila uporabljena tudi podpora Švicarskega nacionalnega znanstvenega sklada (SNSF).
Viri:
1: https://engineering.stanford.edu/
2: http://doi.org/10.1002/adom.202503448
3: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5c04974
Povzeto po:
https://news.stanford.edu/stories/2026/03/infrared-leds-sensors-new-technology-research
