Aumentare la velocità di risposta dei LED quantistici tramite un effetto memoria di eccitazione

15 marzo 2025

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

I diodi a emissione luminosa (LED) sono dispositivi elettroluminescenti ampiamente utilizzati che emettono luce in risposta a una tensione elettrica applicata. Questi dispositivi sono componenti centrali di varie tecnologie elettroniche ed optoelettroniche, inclusi display, sensori e sistemi di comunicazione.

Negli ultimi decenni, alcuni ingegneri hanno sviluppato LED alternativi noti come quantum LED (QLED), che utilizzano punti quantici (cioè, particelle semiconduttive delle dimensioni del nm) come componenti emettitori di luce invece dei semiconduttori convenzionali. Rispetto ai LED tradizionali, questi dispositivi basati sui quantum dot potrebbero raggiungere migliori efficienze energetiche e stabilità operative.

Nonostante il loro potenziale, la maggior parte dei QLED sviluppati finora sono stati ritenuti avere velocità di risposta significativamente più lente rispetto ai LED tipici che utilizzano semiconduttori inorganici del tipo III-V. In altre parole, si sa che impiegano più tempo per emettere luce in risposta a una tensione elettrica applicata.

Ricercatori della Zhejiang University, dell'Università di Cambridge e di altri istituti hanno recentemente dimostrato che i QLED presentano un effetto "memoria di eccitazione", che potrebbe aiutare a migliorare le loro velocità di risposta. Il loro approccio proposto, delineato in uno studio pubblicato su Nature Electronics, essenzialmente sfrutta la capacità dei dispositivi di emettere luce in risposta a impulsi elettrici, sfruttando la "memoria" degli input elettrici precedenti.

"Il recente progresso nello sviluppo di LED organici per le comunicazioni a luce visibile è stata la chiave di ispirazione per il nostro studio, poiché hanno dimostrato che i LED possono avere scopi oltre la tecnologia di visualizzazione", hanno detto il Dr. Yunzhou Deng dell'Università di Cambridge e il Prof. Yizheng Jin della Zhejiang University, due autori del paper, a Phys.org.

"I quantum-dot LED (QLED) sono una classe emergente di LED rinomati per la loro elevata efficienza, luminosità e stabilità, rendendoli candidati promettenti come fonti di luce per le comunicazioni ottiche."

L'obiettivo iniziale di questo studio del Dr. Deng, del Prof. Jin e dei loro colleghi era quello di comprendere meglio come i QLED rispondono ad eccitazioni elettriche pulsate. Tuttavia, i loro esperimenti hanno portato a scoperte inaspettate, che hanno sfruttato per progettare nuovi QLED ad alta velocità basati su microstrutture specializzate.

"Per condurre il nostro studio, abbiamo utilizzato misure di elettroluminescenza transitoria, che mirano a tracciare quanto velocemente il LED si accende o si spegne in risposta a un impulso di tensione", ha spiegato il Dr. Deng. "Utilizzando un oscilloscopio, abbiamo monitorato come l'intensità di emissione ha evoluto nel tempo in risposta a impulsi elettrici della durata di microsecondi. Testando i QLED in diverse condizioni di eccitazione pulsata, abbiamo scoperto importanti dettagli sul loro comportamento di risposta."

I test condotti dai ricercatori hanno mostrato che le risposte elettroluminescenti dei QLED sono influenzate dai resti di impulsi elettrici che sono stati applicati loro in precedenza. Questo effetto di memoria di eccitazione osservato è stato rilevato essere collegato agli stati energetici noti come trappole per cariche profonde, che abitano i semiconduttori polimerici amorfi nel dispositivo.

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"La nostra scoperta più significativa è che i QLED presentano un effetto di memoria di eccitazione, il che significa che 'ricordano' le precedenti eccitazioni impulsive persino millisecondi dopo essere stati spenti", hanno detto il Dr. Deng e il Prof. Jin. "Di conseguenza, quando vengono guidati a frequenze di impulsi più elevate, i dispositivi rispondono più velocemente. Questo effetto consente ai QLED di operare a frequenze di modulazione elevate che superano i 100 MHz, rendendoli candidati ideali per applicazioni di comunicazione ottica ad alta velocità."

Per dimostrare la promessa del loro approccio, gli autori hanno progettato un micro-QLED a bassa capacità con un'ampiezza di banda a -3 dB fino a 19 MHz, sfruttando l'effetto di memoria di eccitazione osservato. Si è scoperto che questo QLED mostra una frequenza di modulazione elettroluminescente di 100 MHz e tassi di trasmissione dati fino a 120 Mbps, mantenendo nel contempo un'ottima efficienza energetica.

I risultati di questo recente studio potrebbero presto contribuire al progresso ulteriore della tecnologia QLED, aprendo potenzialmente la strada al loro impiego per una vasta gamma di applicazioni. Nel frattempo, i ricercatori hanno intenzione di continuare ad investigare l'effetto osservato, lavorando anche per accelerare ulteriormente le risposte dei QLED.

'Per accelerare ulteriormente la velocità di risposta del dispositivo, dovremo sviluppare nuovi materiali a punti quantici con rate di ricombinazione più veloci,' hanno aggiunto il Dr. Deng e il Prof. Jin. 'Ciò comporterà l'esplorazione di composizioni e nanostrutture core-shell innovative. Inoltre, potenziare l'effetto di memoria di eccitazione modificando i componenti organici nel dispositivo potrebbe portare a comportamenti transitori ancora più interessanti.'

Maggiori informazioni: Xiuyuan Lu et al, Velocità di risposta accelerata dei diodi a emissione luminosa a punti quantici attraverso la memoria di eccitazione indotta dalla trappola dei buchi, Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01350-0

Informazione sulla rivista: Nature Electronics

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