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I quantum dots (QDs) sono nanocristalli semiconduttori dalle proprietà ottiche uniche. La loro dimensione e composizione possono essere regolate per controllare la lunghezza d'onda della loro emissione, rendendoli candidati ideali per una vasta gamma di applicazioni optoelettroniche, tra cui l'emissione di luce bianca (WLE). Esistono due approcci principali per generare WLE dai QDs: il miscelamento dei colori e la down-conversion.
Nel caso del miscelamento dei colori, diversi QDs di dimensioni e composizioni differenti vengono combinati per produrre uno spettro di emissione ampio che copre tutte le lunghezze d'onda dello spettro visibile. Questo processo può essere realizzato miscelando soluzioni di QDs, depositando più strati di QDs o usando una combinazione di entrambi i metodi. Ad esempio, Nizamoglu et al. hanno riportato con successo la generazione di luce bianca combinando QDs core/shell/shell di CdSe/ZnS/CdSe, emettenti in verde e rosso, con LED blu di InGaN/GaN. Questo approccio ha portato alla creazione di una struttura ibrida a strati, simile a una cipolla, che ha rappresentato una strategia precoce ed efficace per ottenere una generazione di luce bianca di alta qualità utilizzando LED blu.
La down-conversion, invece, si basa sull'uso di un singolo materiale QD con un'emissione ad alta energia per eccitare un materiale fosforico, che a sua volta emette luce bianca. Il materiale fosforico può essere depositato sopra lo strato di QDs o miscelato con la soluzione di QDs. Un esempio di questo approccio è stato riportato da Lee et al., che hanno ottenuto luce bianca attraverso la down-conversion ottica di QDs core/shell di CdSe/ZnS sospesi in una matrice di polimero (PLMA), posizionata sopra una sorgente di luce blu a base di GaN.
I processi di emissione termica, d'altra parte, sono quei meccanismi fisici attraverso i quali gli oggetti emettono radiazione elettromagnetica a causa della loro temperatura. Questi processi contribuiscono alla generazione di luce bianca in vari modi, con la radiazione del corpo nero che gioca un ruolo fondamentale. La radiazione del corpo nero è l'emissione di radiazione elettromagnetica da un perfetto assorbitore. In pratica, non esistono assorbitori perfetti, ma molti materiali si avvicinano al comportamento del corpo nero. Lo spettro della radiazione del corpo nero è caratterizzato da una lunghezza d'onda di picco che è inversamente proporzionale alla temperatura dell'oggetto. A temperature elevate, la lunghezza d'onda di picco si trova nello spettro visibile, risultando nell'emissione di luce bianca. Un esempio di questo fenomeno è rappresentato dalle lampadine a incandescenza, dove i filamenti di tungsteno vengono riscaldati a temperature superiori ai 2000°C, causando l'emissione di uno spettro ampio che include tutti i colori dello spettro visibile.
Un altro processo importante per la generazione di luce bianca è la luminescenza. La luminescenza è l'emissione di luce da un materiale dopo che questo ha assorbito energia da una fonte esterna. Questo fenomeno può essere causato da vari fattori, tra cui transizioni elettroniche, reazioni chimiche e stress meccanico. Alcuni materiali luminescenti, noti come fosfori, possono emettere luce bianca. I fosfori sono utilizzati in molteplici fonti di luce bianca, come lampade fluorescenti, LED a luce bianca e sorgenti di luce bianca a laser. Nelle lampade fluorescenti, i fosfori vengono applicati all'interno del tubo di vetro. Quando il vapore di mercurio nel tubo viene scaricato, emette luce ultravioletta. Questa luce viene assorbita dai fosfori e riemessa come luce bianca. Nei LED a luce bianca, i fosfori sono utilizzati per convertire la luce blu emessa dal chip LED in luce bianca.
I processi ottici non lineari, come la conversione di frequenza verso l'alto e la generazione della seconda armonica, possono anche essere utilizzati per generare luce bianca da luce vicino-infrarossa. La conversione di frequenza verso l'alto è un processo in cui due o più fotoni vicino-infrarossi si combinano per generare un singolo fotone con una frequenza maggiore, che cade nello spettro visibile. Questi processi ottici non lineari sono impiegati in alcune sorgenti emergenti di luce bianca, come le sorgenti termiche a stato solido (SS-TLS) e i circuiti integrati fotonici (PIC).
La bioluminescenza rappresenta un affascinante fenomeno naturale in cui gli organismi viventi generano ed emettono luce. Questo fenomeno è stato preservato evolutivamente, principalmente in organismi marini, alcune tipologie di batteri, funghi e insetti terrestri. La bioluminescenza svolge funzioni varie, tra cui la caccia alla preda, la difesa contro i predatori e l'attrazione di potenziali partner. La bioluminescenza si basa su due sistemi fondamentali: i meccanismi bioluminescenti, che comprendono le luciferasi e i luciferini, e i fotoproteine, nei quali il cromoforo luminescente è integrato nella struttura proteica. I fotoproteine, a differenza delle luciferasi, emettono luce quando cambia l'ambiente circostante alla proteina.
Questi sistemi bioluminescenti, tra cui il D-luciferin, la coelenterazina e il luciferin batterico, sono stati ampiamente studiati e impiegati in una vasta gamma di applicazioni pratiche. L'analisi e la comprensione dei meccanismi operativi di queste sostanze hanno permesso lo sviluppo di tecniche avanzate che sfruttano la bioluminescenza per scopi scientifici e industriali.
Come i materiali emittenti di luce bianca (WLEMs) stanno rivoluzionando le tecnologie dei display e l'illuminazione
I materiali emittenti di luce bianca (WLEMs) stanno assumendo un ruolo cruciale nello sviluppo delle moderne tecnologie di display e nell'illuminazione, permettendo di ottenere esperienze visive di qualità superiore e migliorando l'efficienza energetica in una vasta gamma di dispositivi elettronici. Questi materiali, grazie alla loro capacità di emettere una luce uniforme e brillante, sono utilizzati per l'illuminazione dei display LCD e AMOLED, contribuendo significativamente alla resa dei colori e al contrasto visivo.
Un esempio significativo dell'applicazione dei WLEMs nei display e nell'illuminazione è evidente nei televisori e nei monitor a LED retroilluminati. In questi dispositivi, i LED bianchi servono da fonte di luce per i display, illuminando in modo uniforme e brillante il pannello a cristalli liquidi. I WLEMs sono fondamentali per ottenere un ampio gamut cromatico e un rapporto di contrasto elevato, migliorando notevolmente l'esperienza visiva complessiva. Questo stesso principio si applica anche agli smartphone e ai tablet, dove i WLEMs sono utilizzati per garantire che gli schermi producano colori vividi e immagini nitide, aumentando la qualità visiva dei contenuti multimediali.
I WLEMs trovano applicazione anche nei display OLED e AMOLED dei dispositivi più moderni, come gli smartphone. Questi schermi utilizzano materiali OLED bianchi per la retroilluminazione, migliorando la luminosità e la chiarezza degli schermi e ottimizzando l'esperienza dell'utente. Gli schermi AMOLED sono diventati una tecnologia molto apprezzata, non solo negli smartphone, ma anche nei televisori di fascia alta. LG, ad esempio, ha continuato a vincere il premio Best of CES per i suoi televisori OLED, che utilizzano la tecnologia WOLED (White OLED), una tipologia di WLEM. Questa tecnologia, introdotta nel 2009 da Reineke e colleghi, ha superato in efficienza i tradizionali tubi fluorescenti e ha permesso di raggiungere livelli di illuminazione molto più elevati, con una notevole resa cromatica.
La ricerca su WOLED e su altre forme di OLED ha portato a strutture ottimizzate che combinano strati selezionati di emettitori con substrati ad alta indice di rifrazione e strutture periodiche per l'uscita della luce. Questi miglioramenti hanno permesso di raggiungere un'efficienza di 90 lumen per watt a 1000 candele per metro quadrato, con la prospettiva di migliorare ulteriormente a 124 lumen per watt con perfezionamenti nelle tecniche di estrazione della luce. L'ottimizzazione di queste tecnologie, in futuro, potrebbe stabilire gli OLED bianchi come la fonte di luce preferita per molte applicazioni future.
In parallelo all'evoluzione degli OLED, i LED bianchi a semiconduttore, noti per la loro efficienza significativamente più alta rispetto ai tubi fluorescenti, hanno rivoluzionato l'industria dell'illuminazione. Nel 1993, l'introduzione del primo LED blu a base di GaN (nitruro di gallio) ha segnato una pietra miliare, poiché ha aperto la strada alla produzione di emissioni di luce bianca tramite LED inorganici. Questo sviluppo ha incrementato l'efficienza dei LED, che ora superano quasi il doppio quella dei tubi fluorescenti, e ha reso possibile una varietà di applicazioni nuove nel campo dell'illuminazione.
Nel contesto dei dispositivi elettronici, gli schermi AMOLED stanno vedendo una crescente adozione, in particolare negli smartphone. Con l'introduzione dell'iPhone X, Apple ha dimostrato l'efficacia di questa tecnologia, suscitando grande entusiasmo nel mercato. Gli schermi AMOLED, grazie alla loro capacità di emettere luce solo nei pixel attivi, sono estremamente efficienti dal punto di vista energetico, il che contribuisce a prolungare la durata della batteria dei dispositivi portatili. Questa caratteristica li rende particolarmente adatti all'uso in dispositivi mobili, tablet e smartwatch, ma il loro utilizzo in schermi di dimensioni maggiori presenta ancora delle sfide tecniche.
Un altro campo in cui i WLEMs sono determinanti è quello della tecnologia dei sensori e dei dispositivi optoelettronici. Grazie alla loro capacità di emettere luce su un ampio spettro, i WLEMs sono utilizzati in una varietà di applicazioni, dalla creazione di soluzioni di illuminazione efficienti dal punto di vista energetico, come lampade a LED e lampade fluorescenti compatte (CFL), all'uso in dispositivi di segnalazione come semafori e segnali stradali. Questi materiali contribuiscono a migliorare la qualità della luce, riducendo il consumo energetico e aumentando la durata dei dispositivi.
I WLEMs sono anche fondamentali nello sviluppo delle tecnologie di retroilluminazione per gli schermi LCD. Le prime scoperte, risalenti agli anni '60 e '70, hanno portato all'introduzione dei display LCD retroilluminati, oggi utilizzati in una vasta gamma di dispositivi, dai calcolatori tascabili ai televisori a schermo piatto. L'uso dei WLEMs per la retroilluminazione ha consentito il miglioramento dei display LCD, garantendo una luminosità superiore e colori più vividi, che li rendono ideali per applicazioni sia professionali che di consumo.
Il continuo perfezionamento delle tecnologie di display e illuminazione grazie ai WLEMs non solo ha spinto avanti l'industria dell'elettronica di consumo, ma ha anche aperto la strada a soluzioni di illuminazione più sostenibili e a basso consumo energetico. È importante, quindi, non solo comprendere l'evoluzione tecnica di queste tecnologie, ma anche il loro impatto sul nostro modo di interagire con i dispositivi elettronici e sul miglioramento dell'efficienza energetica globale.