Cristais fotônicos 3D têm propriedades ópticas e eletrônicas

Liz Ahlberg - 25/07/2011

Esquema do primeiro LED criado a partir do cristal fotônico 3D. O material poderá ser usado também em células solares, lasers e metamateriais.
[Imagem: Erik Nelson]

Cristais fotônicos

Em um avanço que poderá abrir novos caminhos para as células solares, lasers, metamateriais e vários outros campos, pesquisadores da Universidade de Illinois, nos Estados Unidos, demonstraram o primeiro cristal fotônico 3D ativo tanto óptica quanto eletronicamente.

"Nós descobrimos uma forma de mudar a estrutura tridimensional de um material semicondutor bem conhecido para criar novas propriedades ópticas, mantendo as suas propriedades elétricas," disse Paul Braun, que liderou a pesquisa.

Cristais fotônicos são materiais que podem controlar ou manipular a luz de formas totalmente inesperadas, graças à sua singular estrutura física.

Eles podem induzir fenômenos incomuns e afetar o comportamento dos fótons de formas impossíveis de se fazer com os materiais e dispositivos ópticos tradicionais.

É por isso que os cristais fotônicos são os materiais preferidos para o estudo de lasers, energia solar, LEDs, metamateriais e muito mais.

Óptico e eletrônico

Tentativas anteriores de construir cristais fotônicos 3-D resultaram em dispositivos que são ativos apenas opticamente, isto é, eles podem direcionar a luz, mas não eletronicamente ativos, de modo que não conseguem converter energia elétrica em luz ou vice-versa.

O cristal fotônico criado agora é uma estrutura tridimensional que conserva as duas propriedades.

"Com a nossa abordagem para a fabricação de cristais fotônicos, há um grande potencial para otimizar as propriedades eletrônicas e ópticas simultaneamente," disse Erik Nelson, coautor da pesquisa. "Isso nos dá a oportunidade de controlar a luz de formas muito originais, na forma como ela é emitida, como é absorvida e como se propaga."

Esquema do método de crescimento epitaxial utilizado para a construção dos cristais fotônicos 3D.
[Imagem: Erik Nelson]

Cristal fotônico 3-D

Para criar um cristal fotônico 3-D que é tanto eletronicamente quanto opticamente ativo, os pesquisadores começaram com pequenas esferas, empacotadas juntas dentro de um molde.

A seguir, eles depositaram arseneto de gálio (GaAs), um semicondutor amplamente utilizado pela indústria, sobre o molde, preenchendo as lacunas entre as esferas.

A arseneto de gálio cresce como um único cristal, de baixo para cima (bottom-up), um processo chamado epitaxia.

A epitaxia, ou crescimento epitaxial, é usado na indústria para criar filmes planos, bidimensionais, de um único cristal semicondutor, mas o grupo desenvolveu uma maneira de aplicá-la a uma estrutura tridimensional complexa.

Quando o molde fica cheio, depois do crescimento do cristal de GaAs, os pesquisadores removem as esferas, deixando uma estrutura 3-D porosa de um único cristal semicondutor.

Finalmente, toda a estrutura é coberta com uma camada muito fina de um semicondutor com uma maior bandgap para melhorar o desempenho e prevenir a recombinação superficial.

Aplicações específicas

A abordagem epitaxial elimina muitos dos defeitos introduzidos por métodos de fabricação de cima para baixo (top-down), um caminho muito usado para a criação de estruturas fotônicas 3-D.

Outra vantagem é a facilidade de criação de estruturas heterogêneas em camadas. Por exemplo, uma camada de poços quânticos poderia ser introduzida no cristal fotônico, preenchendo parcialmente o modelo com GaAs e depois mudando rapidamente o fluxo de vapor para outro material.

Para testar a sua técnica, o grupo construiu um LED com o cristal fotônico 3-D, que se mostrou totalmente operacional e com potencial para se tornar mais eficiente do que os LEDs atuais.

Agora, o grupo está trabalhando para otimizar a estrutura para aplicações específicas.

O LED demonstra que o conceito produz dispositivos funcionais, mas, ajustando a estrutura ou usando outros materiais semicondutores, os pesquisadores podem melhorar a captura de comprimentos de onda específicos para células solares, para aplicações em metamateriais ou para lasers.

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