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78 I QUADERNI DI TELÈMA a) Esempio di guida d’onda (3), b) Esempio di filtro ottico (1), c) Esempio di Laser (4). (1) Lpn-Cnrs, Laboratory of Photonics and Nanostructures. (3) E. Chow et al., Opt. Lett. 26, 286 (2001). (4) Yokohama National University/Baba Research Lab. seconda di come vengano costruiti. Un cristallo fotonico monodimensionale si ottiene semplicemente alternando strati di materiale ad alto indice di rifrazione con altri aventi basso indice di rifrazione in modo tale da indurre, nel mezzo, una struttura periodica. Tale struttura, nella configurazione bidimensionale, si ottiene attraverso la creazione, in un generico substrato, di “forellini” di spessore e profondità ben determinati. In questo caso il rapporto tra la dimensione dei forellini e la distanza tra i loro centri, unito ad un alto indice di rifrazione del mezzo ospite, fornisce un ulteriore strumento di manipolazione della luce. Se le prime due configurazioni sono ottenibili, oggi, con metodi ormai collaudati e affidabili, stesso discorso non si può fare per il caso dei cristalli 3D. La necessità, infatti, di possedere una struttura isotropa in tutte le direzioni di propagazione rappresenta la maggiore difficoltà a livello di costruzione. Un approccio in questo senso è quello del così detto impilamento (stacking) dove il cristallo, in modo preciso e accurato, viene costruito strato per strato. Prendendo però spunto ancora una volta dalla natura, un differente approccio è rappresentato dall’utilizzo di opali artificiali. Un opale consiste di piccole sfere arrangiate in una struttura cubica a facce centrate; questa struttura genera una modulazione periodica dell’indice di rifrazione e quindi un cristallo fotonico. Così come nei semiconduttori elettronici è possibile inserire dei livelli nella banda proibita tramite “drogaggio”, ovvero immissione di atomi nel reticolo cristallino, allo stesso modo è possibile ottenere analogo effetto nei cristalli fotonici semplicemente introducendo dei “difetti” nella struttura. Un semplice difetto può essere indotto modificando, ad esempio, la dimensione di alcuni “buchi”, nel caso 2D. Un primo utilizzo dei cristalli fotonici è quello delle guide d’onda ottiche. Queste guide possono essere costituite, ad esempio, da una singola linea di cilindri mancanti all’interno della quale la radiazione luminosa si propaga indisturbata. Importante impulso si è avuto nel campo delle sorgenti dove, grazie, ad esempio, all’utilizzo dei cristalli fotonici come elementi attivi dei LED si è scoperto come sia possibile eliminare l’emissione spontanea che si genera al loro interno, per mezzo della band gap fotonica; incanalando tutta l’energia nella radiazione in uscita è possibile aumentare enormemente l’efficienza. I Laser a cristallo fotonico hanno, in questi anni, riscosso molte attenzioni per la flessibilità dimostrata a livello di design e ingegnerizzazione essendo in grado di garantire la possibilità di creare sorgenti che emettono orizzontalmente o verticalmente e che possono essere facilmente incorporate all’interno di configurazioni tunabili a schiera (gli arrays). Giorgio Maria Tosi Beleffi Fondazione Ugo Bordoni Iquadernidi
Le molecole organiche nelle loro varie forme (molecole leggere, catene polimeriche) sono ormai oggetto di studio di una nuova disciplina, l’elettronica organica, che è una tecnologia innovativa che fa uso di molecole organiche piuttosto che dei classici semiconduttori inorganici normalmente utilizzati per la realizzazione di dispositivi per le più svariate applicazioni: dai transistor ai Light Emitting Devices (LED) per illuminazione, ai componenti per le telecomunicazioni ottiche e per comunicazioni radio. I semiconduttori organici sono stati studiati fin dal 1940, ma solo recentemente stanno avendo un significativo impatto pratico in applicazioni optoelettroniche. La dimostrazione del funzionamento di diodi elettroluminescenti e di OTFT (Organic Thin Film Transistor) basati sia su molecole leggere che su polimeri coniugati e il grande aumento in performance e in efficienza dei dispositivi organici negli ultimi dieci anni hanno attratto l’attenzione dell’industria ed aperto le porte alle applicazioni pratiche dei semiconduttori organici. I vantaggi principali di tale tecnologia è la compatibilità con sostanze plastiche, la bassa temperatura di lavorazione (60C°/120C°) rispetto alle temperature di crescita dei semiconduttori tradizionali, la totale compatibilità ambientale delle tecniche di preparazione (da confrontare con la complessità e l’elevato rischio per l’ambiente e per l’uomo delle tecniche necessarie per alcuni tipi di semiconduttori inorganici), l’economicità dei processi depositivi come lo spin-coating, l’ink-jet printing, l’evaporazione, la possibilità di realizzare dispositivi flessibili su larga area. Nella figura viene mostrato un prototipo di circuito inte- le nuove tecnologie fotoniche Elettronica organica per optoelettronica Le eccezionali potenzialità dell’elettronica “organica”: un circuito integrato su supporto flessibile. novembre 2003 grato organico realizzato su un supporto plastico flessibile. Altre applicazioni per gli emettitori di luce realizzati con semiconduttore organico riguardano il settore dell’illuminazione. Questi materiali sono adatti, infatti, a generare sorgenti diffuse a larga area. Una modifica delle caratteristiche di emissione è possibile usando una struttura a microcavità. Tale microcavità può essere usata per restringere la larghezza di banda della luce emessa, aumentare la purezza del colore, spostare la lunghezza d’onda nella regione del blu e diminuire l’angolo di emissione aumentando il guadagno in una direzione. Molecole contenenti atomi di terre rare come erbio e neodimio sono state usate nella fabbricazione di OLED per avere emissione nell’infrarosso, in particolare nelle finestre trasmissive delle fibre ottiche. Questa proprietà coincide, quindi, con una domanda potenzialmente elevata da parte del settore telecomunicazioni per dispositivi elettroluminescenti di basso costo con emissione nelle regioni della prima (800-900 nm), seconda (1300 nm) e terza finestra (1500 nm). Per queste lunghezze d’onda risulta particolarmente promettente lo sfruttamento dell’emissione dei complessi organici contenenti lantanidi, per la maggiore efficienza e purezza spettrale rispetto a più tradizionali sistemi organici. Le aree di ricerca per le applicazioni optoelettroniche dei semiconduttori organici sono riassunte nella figura della pagina seguente. Il quadro delle conoscenze scientifiche e dei risultati preliminari ottenuti offre buone premesse per la ricerca ulteriore e il trasferimento alla regione infrarossa degli obbiettivi tecnologici già raggiunti dall’elettroluminescenza del visibile. A sinistra è evidenziata la possibilità di realizzare microdisplay mentre a destra il prototipo della Universal Display mostra le straordinarie proprietà di flessibilità dei display realizzati con materiali polimerici. 79
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