Brasileiros abrem caminho para LEDs que emitem luz ultravioleta

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/11/2021

Sistema de ultra-alto-vácuo usado para detectar os sinais luminosos emitidos pelo material monoatômico.
[Imagem: Unicamp]

Nitreto de boro

O nitreto de boro é um material com largas aplicações comerciais, além de estar envolvido em áreas de fronteira, como a supercondutividade a temperatura ambiente.

E novas funcionalidades ainda podem ser exploradas porque o nitreto de boro pode ser decomposto em camadas monoatômicas, como o grafeno e a molibdenita - na verdade, o nitreto de boro é 10 vezes mais forte que o grafeno.

Uma das linhas mais promissoras atualmente em desenvolvimento consiste na utilização do material para a produção de LEDs UVC, diodos emissores de luz ultravioleta de tipo C.

Esse tipo de luz é muito útil para esterilizar ambientes, superfícies ou mesmo a água, uma vez que danifica o DNA dos microrganismos, tornando-os inativos. Atualmente, são utilizadas lâmpadas fluorescentes como fontes de UVC, mas os LEDs podem ter uma eficiência muito maior, assim como ocorre em seu uso como lâmpadas para iluminação doméstica, além de poderem ser miniaturizados, abrindo novas possibilidades de uso na Medicina.

Agora, uma equipe da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas) liderou um estudo para tentar compreender e controlar melhor as propriedades eletrônicas e ópticas do nitreto de boro monoatômico, com vistas a viabilizar essas novas aplicações.

Bandgap eletrônico

O trabalho consistiu em estudar uma das propriedades essenciais dos materiais usados em eletroeletrônica, o chamado hiato de banda, ou bandgap eletrônico, e fazer isto quando o nitreto de boro é separado em camadas monoatômicas, que é a forma mais promissora de seu uso futuro.

Esse hiato eletrônico representa a quantidade de energia necessária para fazer com que um elétron da banda de valência do material suba para a banda de condução. A banda de valência, localizada mais perto do núcleo atômico, constitui o conjunto de configurações eletrônicas nas quais a vasta maioria dos elétrons do sólido se localiza. Já a banda de condução, situada na região mais externa do átomo, é um conjunto de configurações eletrônicas nas quais há muitos estados disponíveis para os elétrons, mas a maioria deles ficam vagos - em algumas condições, não se encontra nenhum elétron nessa região.

"O bandgap eletrônico também pode ser interpretado como um 'hiato' na distribuição eletrônica do material, no qual nenhum elétron pode estar. Por isso também é chamado de 'banda proibida', pois corresponde a uma faixa de energia que nenhum elétron no material pode ter," explicou o professor Luiz Fernando Zagonel, coordenador da equipe.

A principal vantagem do nitreto de boro em termos de aplicação decorre do fato de ele possuir um hiato de banda eletrônico muito grande, o que significa que, para promover o elétron da banda de valência para a banda de condução é preciso injetar muita energia no material.

Quando o elétron retorna à banda de valência, que constitui uma configuração mais estável, a maior parte dessa energia é devolvida ao meio na forma de radiação eletromagnética de alta frequência - na forma de luz ultravioleta C, no caso do nitreto de boro.

"Determinamos o valor do hiato eletrônico, que é de 6,8 elétrons-volt [eV]. A energia emitida pelo material, na forma de radiação eletromagnética, é de 6,1 eV. O diferencial, de 0,7 eV, corresponde à energia de ligação de éxciton, cujo cálculo constituiu outro resultado importante de nosso estudo," contou Zagonel.

O nitreto de boro já foi usado para fabricar um transístor de 2 nanômetros, mas ele também está abrindo novas fronteiras, como no caso da flexotrônica.
[Imagem: NTU Singapore]

Éxcitons

Os éxcitons citados pelo professor Zagonel são quasipartículas constituídas por pares formados por elétrons da banda de condução (cargas negativas) e lacunas existentes na banda de valência (cargas positivas).

Essas lacunas - isto é, as ausências de elétrons - e os próprios elétrons se atraem mutuamente e se ligam, formando um par de entidades que orbitam uma à outra. Essa ligação tem uma energia associada, chamada de "energia de ligação de éxciton", cuja magnitude indica a estabilidade do par elétron-lacuna - ou seja, por quanto tempo se espera que ele seja estável em uma dada temperatura.

"Quando um éxciton se recombina - isto é, quando o elétron migra para o estado da lacuna e a preenche -, essa recombinação pode ocasionar a emissão de luz, com um patamar de energia que corresponde à energia do bandgap eletrônico menos a energia de ligação de éxciton," explicou Zagonel.

Na temperatura ambiente, os sólidos estão sujeitos a vibrações térmicas que podem desestabilizar éxcitons de baixa energia de ligação, desfazendo a ligação entre elétrons e lacunas. Se a ligação for desfeita muito facilmente, a emissão excitônica (emissão de luz pelos éxcitons) torna-se improvável e o material se comporta como um emissor de luz pouco eficiente. Para que o material se preste a aplicações tecnológicas que possam ser incorporadas à vida cotidiana, é preciso que a energia de ligação de éxcitons seja alta em relação à energia das vibrações associadas à temperatura ambiente.

"O desejável é que a maioria dos elétrons colocados na banda de condução se recombine com lacunas e emita luz de forma excitônica mesmo à temperatura ambiente. E foi essa alta eficiência no processo de emissão de luz mesmo na temperatura ambiente que verificamos no caso do nitreto de boro," concluiu Zagonel.

Mais tópicos