Los cristales fotónicos tridimensionales brillan

Por primera vez, los investigadores han creado cristales fotónicos tridimensionales de alta calidad y los han utilizado para fabricar un diodo emisor de luz (LED) de alta eficiencia. Los cristales fotónicos tridimensionales prometen mejorar el rendimiento de casi cualquier dispositivo óptico, ya sea una pantalla, una celda solar o una bombilla eficiente, pero hasta ahora nadie había podido fabricarlos utilizando métodos comercialmente viables o materiales viables. . Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ahora están trabajando en células solares basadas en las estructuras.

Relleno de cristal: Esta ilustración muestra arseniuro de galio (azul) creciendo alrededor de una plantilla para crear un cristal fotónico tridimensional.

Los cristales fotónicos pueden controlar la absorción, emisión y movimiento de la luz de una manera muy precisa en función de su estructura. Han sido un área de investigación candente desde finales de la década de 1980. Hasta ahora, solo ha sido práctico hacer cristales fotónicos bidimensionales planos. Estos controlan muy bien el movimiento de la luz en dos dimensiones, pero no perfectamente en la tercera. Aún así, han tenido mucho éxito. Una empresa llamada Luxtera , por ejemplo, ha desarrollado formas de construir interconexiones ópticas basadas en cristales fotónicos directamente en chips de computadora. Acercar las señales ópticas a los procesadores de computadora ayuda a acelerar la transmisión de datos, y el uso de cristales fotónicos ayuda a mantener compacto el tamaño de estos enlaces. Luminus se ha centrado en los LED, para los que los cristales ayudan a mejorar la salida de luz, lo que hace que estos dispositivos sean más brillantes y más eficientes energéticamente.



Sin embargo, los cristales fotónicos tridimensionales serían dispositivos ópticos aún mejores. La ventaja clave es que realmente puedes controlar la propagación de la luz en todas las dimensiones, dice Paul Braun , profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Illinois. Braun está dirigiendo el trabajo sobre cristales fotónicos tridimensionales, y su grupo también está trabajando en la fabricación de células solares a partir de los cristales.

Hacer estas estructuras es complicado. Las estructuras de los cristales fotónicos varían, pero a menudo se obtienen perforando orificios a nanoescala, varillas y otras características en un material. Modelar una losa plana de material con las estructuras a nanoescala necesarias para hacer un cristal fotónico bidimensional es un proceso relativamente simple. Es mucho más difícil conseguir ese tipo de patrón en un trozo grueso de material para crear una estructura tridimensional sin degradar el material. Y los tipos de cristales fotónicos más útiles, los que pueden convertir activamente entre señales eléctricas y ópticas, además de manipular con precisión el flujo de luz, son los más difíciles de fabricar porque se introducen defectos en el material durante el proceso. Esta conversión de luz a electricidad y retroceso es fundamental en LED, células solares e interconexiones de datos ópticos para la informática.

El grupo de la Universidad de Illinois fabricó cristales fotónicos tridimensionales de alta calidad haciéndolos crecer en una plantilla, de abajo hacia arriba, en lugar de intentar introducir los patrones a nanoescala en trozos de material. Los investigadores comienzan haciendo la plantilla, pilas de esferas empaquetadas a nanoescala. Luego colocan la plantilla dentro de una cámara de deposición de vapor y fluyen en una serie de gases que contienen galio y arseniuro. Los materiales se depositan en la plantilla y crecen a su alrededor. Es como llenar una caja de pelotas de ping-pong con agua: el material que fluye llena los espacios entre las esferas. Luego eliminan químicamente las esferas, dejando un cristal fotónico tridimensional: un trozo de arseniuro de galio cristalino que está plagado de agujeros a nanoescala.

El arseniuro de galio se utiliza para fabricar dispositivos ópticos como fotodetectores, pero antes no era posible convertirlo en cristales fotónicos tridimensionales. Los investigadores de Illinois no solo pudieron hacer un cristal fotónico tridimensional a partir del material, sino que también pudieron usarlo para hacer un LED impulsado por una corriente eléctrica.

He estado esperando mucho tiempo para que alguien logre lo que [el grupo de Illinois] ha logrado, dice Eli Yablanovitch , profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de California, Berkeley. A fines de la década de 1980, Yablanovitch realizó algunos de los trabajos fundamentales sobre los cristales fotónicos, avanzando en la idea de que ciertos diseños pueden emitir luz de una manera muy controlada que es útil para los LED.

Yablanovitch dice que es difícil predecir qué resultará de este trabajo y cuándo, porque nadie ha hecho cristales fotónicos tridimensionales prácticos antes. Algunas de las aplicaciones más atractivas ya las están llenando los cristales fotónicos bidimensionales, dice. Si resulta tan fácil hacer cristales fotónicos tridimensionales como hacer sus homólogos planos que ya están en los productos, siempre serían la primera opción, dice Yablanovitch.

Es probable que la tecnología esté todavía a varios años de comercializarse, dice Braun.

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