Luz branca emitida por dispositivo sólido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/07/2003

Cientistas dos Laboratórios Sandia (Estados Unidos) utilizaram um enfoque diferenciado para desenvolver o primeiro dispositivo emissor de luz branca de estado sólido utilizando pontos quânticos ("quantum dots"), minúsculos buracos em nanocristais semicondutores. A emissão de luz fria e de baixo consumo de energia é uma das mais promissoras áreas da nanotecnologia, podendo ter aplicações em telecomunicações, em chips óticos e na iluminação em geral.

"O entendimento da física da luminescência em nanoescala e a aplicação desse conhecimento para o desenvolvimento de fontes de luz baseadas nos 'quantum dots' é o foco da nossa pesquisa," afirmou Lauren Rohwer, coordenadora dos trabalhos. "A iluminação baseada em 'quantum dots', de baixo custo e altíssima eficiência, poderá representar uma revolução na tecnologia da iluminação por meio da nanociência."

O enfoque utilizado baseou-se no encapsulamento de "quantum dots" (nanocristais semicondutores) e no polimento de suas superfícies de forma tão eficiente que eles passaram a emitir luz visível quando excitados por radiação emitida por LEDs que operam na faixa do infravermelho próximo. Os "quantum dots" absorvem fortemente a luz na faixa do infravermelho próximo, reemitindo luz visível. A cor da luz emitida varia em função da dimensão dos "quantum dots" e da composição química de sua superfície.

O novo dispositivo à base de materiais luminescentes é radicalmente diferente daqueles fabricados a partir do crescimento de elementos semicondutores emissores de luz azul, verde e vermelha. Esses componentes híbridos requerem uma mistura cuidadosa das cores primárias para se produzir luz branca, o que dificulta e encarece sobremaneira sua produção. Extrair de forma eficiente todas as três cores de um dispositivo único requer um design mais caro do chip, o que poderá não torná-lo competitivo com a iluminação fluorescente convencional, mas poderá ser atrativo para aplicações mais especializadas.

Os LEDs tipicamente emitem luz desde a faixa do infravermelho próximo até a parte azul do espectro, o que significa comprimentos de onda entre 380 e 420 nanômetros. Materiais luminescentes convencionais utilizados em iluminação fluorescente não são ideais para geração de luz de estado sólido devido à sua absorção pobre das energias nessas freqüências. Os materiais luminescentes, também conhecidos como fósforos ("phosphors"), são um tipo de material inorgânico, feitos a partir de compostos de Terras Raras. Por isto os pesquisadores no mundo todo estão pesquisando outros componentes químicos, testando-os em busca de um que se adeqüe à emissão de luz de estado sólido.

Os pontos quânticos representam um enfoque novo. Os "quantum dots", medindo alguns nanômetros de diâmetro, são sintetizados em um solvente contendo moléculas chamadas de sulfactantes ou estabilizadoras. As minúsculas dimensões dos "quantum dots", muito menores do que o comprimento de onda da luz visível, eliminam toda a luz difusa e as perdas óticas associadas com essa difusão. Dispositivos óticos anti-difusão, utilizando materiais luminescentes convencionais, reduzem a eficiência do conjunto em até 50 por cento.

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Materiais luminescentes nanoparticulados, baseados em pontos quânticos, têm duas vantagens significativas em relação aos materiais tradicionais. Primeiro, enquanto as propriedades óticas dos pós de fósforos convencionais são determinadas unicamente pela composição química do material, nos pontos quânticos as propriedades óticas, como a absorção de luz, são determinadas pelo tamanho do ponto. A mudança do tamanho do ponto quântico produz variações radicais na cor da luz emitida. Em segundo lugar, as diminutas dimensões dos pontos quânticos também significam que, tipicamente, mais de 70 por cento dos átomos estão na superfície do material, de tal forma que alterações químicas nesses locais permitem o ajuste das propriedades de emissão de luz, permitindo a emissão de múltiplas cores a partir de um mesmo tamanho de ponto.

Para que os "quantum dots" sejam utilizados para iluminação, eles precisam ser encapsulados, geralmente em epóxi ou silicone. "Ao fazer isto, nós temos que ter cuidado para não alterar a composição química da superfície dos pontos quânticos na transição do solvente para o encapsulante," afirma Steven Thoma, membro da equipe responsável por esta etapa.

Materiais luminescentes de ponto quântico são integrados em um substrato para LEDs que emitem luz na faixa do infravermelho próximo a 400 nanômetros, os quais são disponíveis comercialmente, encapsulando o chip com epóxi esponjoso, criando um domo. Os pontos quânticos no domo absorvem a luz invisível de comprimento de onda de 400 nanômetros emitida pelo LED e reemitem luz na faixa visível, um princípio similar ao utilizado pelas lâmpadas fluorescentes.

Mas o encapsulamento ainda não é uma questão resolvida. Quando se altera o ambiente dos pontos quânticos, de um solvente para um encapsulante, eles tendem a se aglomerar, perdendo a propriedade de emissão de luz. Prender os pontos quânticos a uma espécie de espinha dorsal de polímero encapsulante faz com que eles permaneçam próximos, mas sem se tocar. Isto permite um significativo aumento na eficiência, que pode alcançar impressionantes 60 por cento. Os relatos anteriores, de outras pesquisas, sinalizam para eficiências de até 50 por cento.

Até agora, a maioria dos dispositivos de ponto quântico produzidos nos laboratórios Sandia eram compostos de sulfeto de cádmio. O cádmio é um metal pesado altamente tóxico, de características semelhantes ao chumbo. Isto incentiva a pesquisa por materiais alternativos. Felizmente, materiais luminescentes de pontos quânticos podem ser construídos de outros tipos de material, incluindo silício ou germânio nanoparticulados, semicondutores não tóxicos, utilizando íons de manganês como emissores de luz.

"O silício, que é abundante, barato e não tóxico, deverá ser o material ideal," afirma Stephen Woessner, outro membro da equipe de pesquisadores. "As descobertas obtidas pela equipe com os pontos quânticos de sulfeto de cádmio irão permitir esse próximo passo no desenvolvimento de materiais luminescentes nanoscópicos."

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