Une équipe de recherche coréenne a mis au point une LED dans l'ultraviolet profond (DUV) à partir d'un matériau entièrement nouveau. La LED DUV est une source lumineuse à semi-conducteurs conçue pour émettre une lumière ultraviolette (UV) d'une courte longueur d'onde de 200 à 280 nanomètres. L'irradiation de cette LED sur des virus ou des bactéries détruit les agents pathogènes dangereux tout en minimisant les dommages pour le corps humain.
Une équipe de recherche de POSTECH dirigée par le professeur Jonghwan Kim et les candidats au doctorat Su-Beom Song et Sangho Yoon (département de science et de génie des matériaux) a produit des LED DUV pour la première fois en utilisant du nitrure de bore hexagonal (hBN). Les travaux de l'équipe ont été publiés dans la revue Nature Communications.
Contrairement à la lumière visible, la lumière UV peut détruire ou modifier la forme d'un matériau. Parmi les lumières UV, la lumière proche UV a une profondeur de pénétration élevée et peut provoquer des maladies lorsque la peau y est exposée. Cependant, la lumière DUV a une pénétration cutanée extrêmement faible et devrait être utilisée en toute sécurité.
C'est pourquoi la recherche visant à développer des LED DUV a été active, utilisant principalement le nitrure de gallium d'aluminium (AlxGa1-xN). Cependant, ce matériau présente une limite fondamentale, à savoir que son électroluminescence se détériore rapidement lorsque la longueur d'onde devient plus courte et la fabrication de LED pouvant être utilisées dans les fréquences DUV reste un défi.
Le nitrure de bore hexagonal (hBN) utilisé par l'équipe de recherche du professeur Jonghwan Kim est un matériau à couches de van der Waals (vdW) comme le graphite. Il est souvent appelé le "graphène blanc" car sa structure monocouche est similaire à celle du graphène et est transparente. Contrairement à l'AlxGa1-xN, il émet une luminescence aux fréquences DUV et est donc considéré comme un nouveau matériau efficace pour développer des LED DUV. Cependant, il a été difficile d'injecter des électrons et des trous en raison de sa grande largeur de bande interdite*1, ce qui rend difficile sa transformation en LED.
Pour y remédier, les chercheurs se sont attachés à injecter des électrons et des trous aux bords de la bande du hBN en appliquant une forte tension au nanofilm de hBN pour induire le mécanisme d'effet tunnel. Grâce à cela, les chercheurs ont réussi à fabriquer un dispositif LED basé sur une hétérostructure de van der Waals empilée avec du graphène, du hBN et du graphène. La micro-spectroscopie DUV qui a suivi a confirmé que le dispositif nouvellement fabriqué émet une forte lumière UV.
“Le développement d'un nouveau matériau LED à haut rendement dans une nouvelle fréquence peut être le point de départ d'applications de dispositifs optiques révolutionnaires qui n'ont jamais été vues auparavant", a remarqué le professeur Jonghwan Kim qui a dirigé l'étude. "Il est significatif que cette étude ait présenté la première démonstration d'une LED dans l'ultraviolet profond basée sur le hBN."
Il a ajouté : "Par rapport au matériau conventionnel AlxGa1-xN, le nouveau matériau présente une efficacité de luminescence nettement supérieure et permet la miniaturisation. Il devrait être très utile à l'avenir dans les systèmes de stérilisation virale et bactérienne, les processus de fabrication de dispositifs à semi-conducteurs et les communications sans fil à courte portée."
Récemment publiée dans la revue de renommée mondiale Nature Communications, cette recherche a été menée avec le soutien du Senior Researcher Program de la National Research Foundation of Korea et de l'Institute for Basic Science.
*1. Bande interdite
L'énergie minimale requise pour que les électrons liés à un semi-conducteur ou à un isolant puissent s'échapper.
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