Diodos emissores de luz (LEDs) tradicionalmente exigem perfeição atômica para otimizar a eficiência. Na nanoescala, onde as estruturas medem apenas bilionésimos de um metro, os defeitos devem ser evitados a todo custo - até agora.

Uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven e da Stony Brook University do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriu que imperfeições sutis podem aumentar drasticamente a eficiência e a saída de luz ultravioleta (UV) de certos materiais de LED.

"Os resultados são surpreendentes e totalmente contra-intuitivos, "disse o cientista do Brookhaven Lab, Mingzhao Liu, o autor sênior do estudo. "Essas falhas quase imperceptíveis, que acabou faltando oxigênio na superfície dos nanofios de óxido de zinco, realmente melhorar o desempenho. Esta revelação pode inspirar novos designs de nanomateriais muito além dos LEDs que, de outra forma, teriam sido descartados por reflexo. "

Os resultados, publicado online em 5 de dezembro, 2017, no Cartas de Física Aplicada , ajudam a trazer essas estruturas de óxido de zinco um passo mais perto do uso como uma fonte de UV em aplicações práticas, incluindo sensores médicos, catalisadores, e até mesmo iluminação doméstica.

"O padrão atual de LED para luz ultravioleta é o nitreto de gálio, que funciona perfeitamente, mas é caro e está longe de ser ecologicamente correto, "disse o cientista e co-autor do estudo de Brookhaven Dario Stacchiola." Este óxido de zinco 'imperfeito' supera esses problemas. "

Os cientistas alavancaram a instrumentação única e experiência disponível no Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN) e National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), ambos DOE Office of Science User Facilities.

"Ter a capacidade de explorar materiais desde a síntese até a caracterização complexa é uma vantagem única do Brookhaven Lab, "Stacchiola disse." Na verdade, o quebra-cabeça da eficiência da emissão de nanofios de óxido de zinco só pôde ser resolvido quando novos instrumentos entraram em operação no NSLS-II. "

Luz nascida no limite

Os LEDs de alto desempenho exploram um fenômeno chamado fotoluminescência de borda de banda próxima (NBE), encontrado em materiais semicondutores.

"Quando os elétrons na banda de condução se recombinam com buracos na banda de valência - cruzando a borda da chamada lacuna de banda - eles podem emitir luz, "Liu disse." Otimizando esse efeito, especificamente para radiação UV, era nosso objetivo principal. "

Os cientistas usaram uma abordagem baseada em solução de baixa temperatura relativamente simples para fazer crescer nanofios compostos de cristais de óxido de zinco. Eles então aplicaram plasma de oxigênio para limpar as estruturas finais de nanofios.

"Por acaso, durante um teste, executamos essa etapa de plasma sob pressão muito mais baixa do que o normal - e os resultados foram serendipitosos e chocantes, "Liu disse." Aquele tratamento com plasma de baixa pressão é a verdadeira virada de jogo aqui. "

As emissões inesperadas de NBE confundiram os cientistas por anos, mas as ferramentas investigativas finalmente avançaram o suficiente para lançar luz sobre o mistério.

Luzes brilhantes e nanotecnologia de última geração

A chave para o avanço veio através da forte sinergia entre duas linhas de luz no NSLS-II. Dados da linha de luz 8-ID - uma das fontes de absorção de raios-X mais intensas do mundo - combinados com o primeiro conjunto de resultados de um novo, estação final de microscopia eletrônica de fotoemissão de raios-X de última geração (XPEEM) na linha de luz 21-ID-2. A estação final XPEEM é executada como uma parceria entre CFN e NSLS-II.

Beamline 8-ID revelou a quantidade de absorção de raios-x, que foi então usado para deduzir o estado oxidativo das amostras. As medições na linha de luz 21-ID-2 complementaram esse trabalho, bombardear a amostra com raios-x para excitar elétrons e emitir fótons de acordo com os níveis de banda da amostra. Ao analisar essa energia, as posições da banda - e seu papel na emissão de luz - podem ser determinadas com alta precisão.

"Descobrimos que as vacâncias de oxigênio na superfície criam dipolos que confinam os portadores de carga ao núcleo do nanofio, "disse o co-autor do estudo e cientista do NSLS-II Klaus Attenkofer." Essas vagas parecem impulsionar a emissão de luz pura e altamente eficiente. E porque sabemos exatamente o que distingue esta estrutura de óxido de zinco, sabemos como construir sobre ele e explorar materiais semelhantes. "

A nova técnica de síntese permite estruturas adicionais, como alta qualidade, camadas de óxido de titânio, o que pode ser ideal para fotocatalisadores. Esse material poderia atuar com eficiência como um divisor de água, fornecer combustível de hidrogênio para uma série de tecnologias de energia renovável. Experimentos futuros irão explorar essa possibilidade e até mesmo assistir as reações catalíticas se desdobrarem em tempo real.

"A forte sinergia entre CFN e NSLS-II torna o Brookhaven Lab um lugar único para fazer pesquisas de nanomateriais, "disse Chuck Black, o diretor do CFN. "Trabalhando juntos, as duas instalações estão desenvolvendo e oferecendo novas capacidades de pesquisa para o benefício de pesquisadores em todo o mundo. Essas ferramentas de vanguarda são críticas para acelerar a pesquisa em nanociências, que permitirá os materiais avançados de amanhã. "