Mejorando la velocidad de respuesta de los LED cuánticos a través de un efecto de memoria de excitación

15 de Marzo de 2025 función

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Los diodos emisores de luz (LED) son dispositivos electroluminiscentes ampliamente utilizados que emiten luz en respuesta a un voltaje eléctrico aplicado. Estos dispositivos son componentes centrales de varias tecnologías electrónicas y optoelectrónicas, incluyendo pantallas, sensores y sistemas de comunicación.

En las últimas décadas, algunos ingenieros han estado desarrollando LEDs alternativos conocidos como LEDs cuánticos (QLEDs), que utilizan puntos cuánticos (es decir, partículas semiconductoras de tamaño nm) como componentes emisores de luz en lugar de semiconductores convencionales. En comparación con los LEDs tradicionales, estos dispositivos basados en puntos cuánticos podrían lograr una mejor eficiencia energética y estabilidad operativa.

A pesar de su potencial, la mayoría de los QLED desarrollados hasta ahora se ha encontrado que tienen velocidades de respuesta significativamente más lentas que los LEDs típicos que utilizan semiconductores inorgánicos III-V. Es decir, se sabe que tardan más tiempo en emitir luz en respuesta a un voltaje eléctrico aplicado.

Investigadores de la Universidad de Zhejiang, Universidad de Cambridge y otros institutos recientemente demostraron que los QLEDs exhiben un efecto de memoria de excitación, que podría ayudar a mejorar sus velocidades de respuesta. Su enfoque propuesto, descrito en un estudio publicado en Nature Electronics, esencialmente implica aprovechar la capacidad de los dispositivos para emitir luz en respuesta a impulsos eléctricos, aprovechando su 'memoria' de entradas eléctricas anteriores.

'Los avances recientes en el desarrollo de LEDs orgánicos para comunicaciones de luz visible fueron la inspiración clave para nuestro estudio, ya que mostraron que los LEDs pueden servir para propósitos más allá de la tecnología de visualización,' el Dr. Yunzhou Deng de la Universidad de Cambridge y el Prof. Yizheng Jin de la Universidad de Zhejiang, dos autores del artículo, dijeron a Phys.org.

Los LEDs de puntos cuánticos (QLEDs) son una clase emergente de LEDs conocidos por su alta eficiencia, brillo y estabilidad, lo que los convierte en candidatos prometedores como fuentes de luz para comunicación óptica.'

El objetivo inicial de este estudio del Dr. Deng, el Prof. Jin y sus colegas fue comprender mejor cómo responden los QLEDs a excitaciones eléctricas pulsadas. Sin embargo, sus experimentos llevaron a hallazgos inesperados, que utilizaron para diseñar nuevos QLEDs de alta velocidad basados en microestructuras especializadas.

'Para llevar a cabo nuestro estudio, empleamos mediciones transitorias de electroluminiscencia, que tienen como objetivo rastrear qué tan rápido se enciende o se apaga el LED después en respuesta a un pulso de voltaje,' explicó el Dr. Deng. 'Usando un osciloscopio, monitoreamos cómo evolucionaba la intensidad de emisión con el tiempo en respuesta a pulsos eléctricos de microsegundos de duración. Al probar los QLEDs bajo distintas condiciones de excitación pulsada, descubrimos ideas clave sobre su comportamiento de respuesta.'

Las pruebas realizadas por los investigadores mostraron que las respuestas electroluminiscentes de los QLEDs están influenciadas por remanentes de pulsos eléctricos que se les aplicaron en el pasado. Se encontró que este efecto de memoria de excitación observado está vinculado a estados de energía conocidos como trampas de agujero de nivel profundo, que habitan en los semiconductores poliméricos amorfos en el dispositivo.

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'Nuestro descubrimiento más significativo es que los QLEDs exhiben un efecto de memoria de excitación, lo que significa que 'recuerdan' excitaciones pulsadas anteriores incluso milisegundos después de haberse apagado,' dijo el Dr. Deng y el Prof. Jin. 'Como resultado, cuando se activan a frecuencias de pulso más altas, los dispositivos responden más rápido. Este efecto permite a los QLEDs operar a altas frecuencias de modulación que exceden los 100 MHz, convirtiéndolos en fuertes candidatos para aplicaciones de comunicación óptica de alta velocidad.'

Para demostrar la promesa de su enfoque, los autores diseñaron un micro-QLED de baja capacitancia con un ancho de banda de -3 dB de hasta 19 MHz, que aprovecha el efecto de memoria de excitación observado. Se encontró que este QLED exhibía una frecuencia de modulación electroluminescente de 100 MHz y tasas de transmisión de datos de hasta 120 Mbps, manteniendo una buena eficiencia energética.

Los resultados de este estudio reciente podrían contribuir pronto al avance adicional de la tecnología QLED, abriendo potencialmente el camino para su implementación en una amplia gama de aplicaciones. Mientras tanto, los investigadores planean continuar investigando el efecto observado, al mismo tiempo que trabajan para acelerar aún más las respuestas de los QLEDs.

'Para acelerar aún más la velocidad de respuesta del dispositivo, necesitaremos desarrollar nuevos materiales de punto cuántico con tasas de recombinación más rápidas,' agregaron el Dr. Deng y el Prof. Jin. 'Esto implicará explorar composiciones novedosas y nanoestructuras núcleo-cáscara. Además, mejorar el efecto de memoria de excitación al modificar los componentes orgánicos en el dispositivo podría llevar a comportamientos transitorios aún más interesantes.'

Más información: Xiuyuan Lu et al, Velocidad de respuesta acelerada de diodos emisores de luz de punto cuántico mediante memoria de excitación inducida por trampas de huecos, Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01350-0

Información del diario: Nature Electronics

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