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Material aumenta em até 40 vezes a eficiência elétrica de LEDs

José Tadeu Arantes - Agência Fapesp - 08/11/2013

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[box-leia]Os LEDs (light-emitting diodes - diodos emissores de luz) tornaram-se componentes onipresentes do mundo contemporâneo, utilizados em telas de TV e monitores de computador, letreiros luminosos e luzes de sinalização, luminárias de automóveis e dispositivos de controle remoto, ao lado de muitas outras aplicações. Consistem, basicamente, de semicondutores que, ligados a uma fonte de energia elétrica, emitem luz, quando os elétrons da corrente se recombinam com lacunas existentes na rede atômica do material, liberando energia na forma de fótons.

Os chamados quantum-dots (pontos quânticos), constituídos por partículas nanométricas semicondutoras, são ótimos materiais para a fabricação de LEDs, pois produzem brilho intenso; emitem luz em uma faixa bem estreita de comprimentos de onda, o que possibilita alta resolução de cor; e são relativamente baratos para produção em larga escala. No entanto, sua utilização esbarra em um poderoso fator limitante: a baixa eficiência elétrica, da ordem de apenas 0,1% a 0,2%.

Isso decorre de um fenômeno quântico denominado "efeito Auger", assim chamado em homenagem a um de seus descobridores, o físico francês Pierre Victor Auger (1899-1993).

No átomo, quando um elétron próximo do núcleo é removido, deixando uma vaga na camada eletrônica que ocupava, outro elétron, mais distante (portanto, dotado de um nível maior de energia cinética), vem preencher o seu lugar.

O efeito esperado é que a energia excedente desse segundo elétron seja liberada para o meio com a emissão de um fóton (a partícula associada à interação eletromagnética). Porém, pode ocorrer que a energia seja transmitida a um terceiro elétron, que, excitado, supera a atração eletromagnética do núcleo, sendo ejetado pelo átomo. Foi esse outro desfecho possível que recebeu o nome de "efeito Auger".

Fenômeno análogo (neste caso, denominado "recombinação Auger") pode ocorrer em um material semicondutor, quando, ao ocupar lacuna na rede atômica, em vez de liberar fóton, o elétron transmite sua energia a outro elétron, que é ejetado pela rede. Transformando energia elétrica em energia cinética, em vez de energia luminosa, a "recombinação Auger" faz com que a eficiência dos LEDs seja extremamente baixa.

Mas um experimento recente, realizado na Divisão de Química do Los Alamos National Laboratory, dos Estados Unidos, conseguiu controlar a influência da "recombinação Auger". O time de pesquisadores, do qual participou o brasileiro Lázaro Padilha, professor doutor no Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), publicou seu trabalho na Nature Communications, jornal eletrônico do grupo Nature - o artigo pode ser acessado no site.

"Produzimos novos materiais que possibilitaram minimizar o ‘efeito Auger’. Com eles, foi possível obter LEDs até 10 vezes mais eficientes, com uma taxa de conversão de energia elétrica em energia luminosa da ordem de 2%", disse Padilha à Agência FAPESP.

"Mais do que isso: conseguimos limitar o processo de ionização do material. Essa ionização, que decorre da injeção de elétrons, acentua o ‘efeito Auger’. Quanto mais carga injetada, maior o ‘efeito Auger’. Criando uma barreira para controlar a injeção, chegamos a uma eficiência da ordem de 8%. Ou seja, aumentamos a eficiência em até 40 vezes, de 0,1% a 0,2% para 8%", acrescentou o pesquisador.

Para isso, os pesquisadores utilizaram, como ponto de partida, quantum-dots de seleneto de cádmio (CdSe). Esse material semicondutor confere ao LED a eficiência de 0,1% a 0,2%. Revestindo o núcleo de seleneto de cádmio de cada partícula com uma camada de sulfeto de cádmio (CdS) e introduzindo, entre o núcleo de CdSe e a camada externa de CdS, uma película bem fina de uma liga dos dois materiais (CdSeS), foi possível aumentar a eficiência para cerca de 2%.

Por fim, acima da camada de CdS, foi acrescentada outra camada, composta de uma liga de zinco, cádmio e enxofre (ZnCdS). Essa liga funcionou como barreira, limitando e controlando a entrada de elétrons na nanopartícula e, dessa forma, reduzindo ainda mais o "efeito Auger". Assim, foi possível elevar a eficiência para 8%.

"O grande mérito desse trabalho foi a engenharia do material, que possibilitou controlar a interação dos elétrons da corrente com as lacunas (isto é, as ausências de elétrons) da rede atômica do semicondutor", comentou Padilha.

"As nanopartículas, com diâmetro total de 7 nanômetros cada, foram obtidas por meio de síntese química, com um controle muito rigoroso de cada etapa das reações", explicou.

Com a utilização dessas nanopartículas modificadas será possível, por exemplo, produzir aparelhos de televisão capazes de gerar mais luz com menor consumo de eletricidade. Outra vantagem - esta relacionada com o uso de quantum-dots em geral - é que a estreita banda de emissão luminosa de cada nanopartícula permitirá melhorar muito a resolução de cor.