Um efeito físico conhecido como superinjeção é a base dos modernos diodos emissores de luz (LEDs) e lasers. Por décadas, acreditou-se que esse efeito ocorria apenas em heteroestruturas semicondutoras, isto é, estruturas compostas por dois ou mais materiais semicondutores. Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou descobriram que a superinjeção é possível em homoestruturas, que são feitos de um único material. Isso abre perspectivas inteiramente novas para o desenvolvimento de fontes de luz. O artigo saiu em 21 de fevereiro no jornal Ciência e tecnologia de semicondutores .

Fontes de luz de semicondutores, como lasers e LEDs, estão no cerne da tecnologia moderna. Eles permitem impressoras a laser e internet de alta velocidade. Mas apenas 60 anos atrás, ninguém imaginaria semicondutores sendo usados ​​como materiais para fontes de luz brilhante. O problema era que para gerar luz, tais dispositivos requerem elétrons e lacunas - os portadores de carga gratuita em qualquer semicondutor - para se recombinar. Quanto maior a concentração de elétrons e lacunas, quanto mais frequentemente eles se recombinam, tornando a fonte de luz mais brilhante. Contudo, por muito tempo, nenhum dispositivo semicondutor poderia ser fabricado para fornecer uma concentração suficientemente alta de elétrons e lacunas.

A solução foi encontrada na década de 1960 por Zhores Alferov e Herbert Kroemer. Eles propuseram o uso de heteroestruturas, ou estruturas "sanduíche", consistindo em dois ou mais semicondutores complementares em vez de apenas um. Se alguém colocar um semicondutor entre dois semicondutores com bandgaps mais amplos e aplicar uma tensão de polarização direta, a concentração de elétrons e buracos na camada intermediária pode atingir valores ordens de magnitude maiores do que aqueles nas camadas externas. Este efeito, conhecido como superinjeção, é a base dos modernos lasers semicondutores e LEDs. Sua descoberta rendeu a Alferov e Kroemer o Prêmio Nobel de Física em 2000.

Contudo, dois semicondutores arbitrários não podem formar uma heteroestrutura viável. Os semicondutores precisam ter o mesmo período da rede cristalina. De outra forma, o número de defeitos na interface entre os dois materiais será muito alto, e nenhuma luz será gerada. De certa forma, Isso seria semelhante a tentar aparafusar uma porca em um parafuso cujo passo da rosca não corresponde ao da porca. Uma vez que as homoestruturas são compostas de apenas um material, uma parte do dispositivo é uma extensão natural da outra. Embora as homoestruturas sejam mais fáceis de fabricar, acreditava-se que as homoestruturas não podiam suportar a superinjeção e, portanto, não são uma base viável para fontes de luz práticas.

Igor Khramtsov e Dmitry Fedyanin, do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, fizeram uma descoberta que muda drasticamente a perspectiva de como os dispositivos emissores de luz podem ser projetados. Os físicos descobriram que é possível alcançar a superinjeção com apenas um material. O que é mais, a maioria dos semicondutores conhecidos pode ser usada.

“No caso do silício e do germânio, a superinjeção requer temperaturas criogênicas, e isso lança dúvidas sobre a utilidade do efeito. Mas em diamante ou nitreto de gálio, superinjeção forte pode ocorrer mesmo em temperatura ambiente, "Dr. Fedyanin disse. Isso significa que o efeito pode ser usado para criar dispositivos de mercado de massa. De acordo com o novo artigo, a superinjeção pode produzir concentrações de elétrons em um diodo de diamante que são 10, 000 vezes mais do que aqueles anteriormente considerados possíveis. Como resultado, O diamante pode servir de base para LEDs ultravioleta milhares de vezes mais brilhantes do que os cálculos teóricos mais otimistas previam. "Surpreendentemente, o efeito da superinjeção no diamante é de 50 a 100 vezes mais forte do que o usado na maioria dos LEDs e lasers de semicondutores do mercado de massa com base em heteroestruturas, "Khramtsov apontou.

Os físicos enfatizaram que a superinjeção deve ser possível em uma ampla gama de semicondutores, de semicondutores convencionais de largo bandgap a novos materiais bidimensionais. Isso abre novas perspectivas para o design de azul altamente eficiente, tolet, ultravioleta, e LEDs brancos, bem como fontes de luz para comunicação óptica sem fio (Li-Fi), novos tipos de lasers, transmissores para a internet quântica, e dispositivos ópticos para o diagnóstico precoce de doenças.