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    Novas possibilidades de dispositivos semicondutores usando fósforo preto

    O diodo emissor de luz infravermelha ajustável no comprimento de onda consiste em fósforo preto e heteroestrutura de dissulfeto de molibdênio (MoS2) em substrato de poliimida flexível. Crédito:Hyungjin Kim / UC Berkeley

    Tensão e deformação, aplicado da maneira certa, às vezes pode produzir resultados surpreendentes.

    Isso é o que pesquisadores, liderado por uma equipe do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciências da Computação da UC Berkeley, descoberto sobre um material semicondutor emergente - fósforo preto (BP) - usado para fazer dois tipos de dispositivos optoeletrônicos:diodos emissores de luz (LEDs) e fotodetectores.

    Sob tensão mecânica, BP pode ser induzido a emitir ou detectar luz infravermelha (IR) em uma faixa de comprimentos de onda desejáveis ​​- 2,3 a 5,5 micrômetros, que abrange o infravermelho de onda curta a média - e de forma reversível à temperatura ambiente, de acordo com os autores do estudo Ali Javey, Lam Research Distinguished Chair in Semiconductor Processing e professor de engenharia elétrica, e seu colega de pós-doutorado Hyungjin Kim. Javey também é cientista sênior do corpo docente do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley.

    Suas descobertas são significativas não apenas pela capacidade de atingir esses comprimentos de onda, Javey e Kim disseram, mas para fazer isso de forma sintonizável e em um dispositivo. A tecnologia atual exigiria vários dispositivos volumosos e diferentes materiais semicondutores para obter resultados semelhantes.

    Eles descreveram suas descobertas em Natureza .

    Javey e Kim disseram que a capacidade de usar uma gama mais ampla do espectro de infravermelho, sintonizável em um dispositivo, poderia ajudar a atender a crescente demanda por aplicações em comunicações ópticas, imagem térmica, monitoramento de saúde, espectroscopia, detecção química e muito mais. Para demonstrar essa flexibilidade, os pesquisadores usaram um de seus novos dispositivos para detectar vários gases.

    O fósforo preto no topo do substrato flexível é coado quando o substrato é dobrado. Crédito:Hyungjin Kim / UC Berkeley

    A equipe liderada por Berkeley descobriu que usar camadas finas de BP em dispositivos optoeletrônicos e submetê-los a vários graus de tensão resulta em comprimentos de onda de saída reversivelmente sintonizáveis ​​em uma faixa inesperadamente grande. O comprimento de onda de saída do BP e de outros materiais semicondutores é uma propriedade conhecida como bandgap.

    A faixa espectral na qual um dispositivo optoeletrônico pode operar é amplamente determinada pelo intervalo de banda de seu material semicondutor. Diferentes abordagens podem ser usadas para atingir o comprimento de onda operacional desejado para uma determinada aplicação. Por exemplo, ligas - materiais de composição variada - e tensão podem ser usados ​​para ajustar o bandgap. Embora essas abordagens sejam realmente eficazes, eles resultam em dispositivos com comprimentos de onda operacionais fixos.

    “No nosso trabalho, podemos mudar ativamente o bandgap do fósforo preto de modo que um único fotodetector ou LED possa mudar seus comprimentos de onda de operação dentro, aproximadamente, a faixa de dois a cinco micrômetros, "Kim disse.

    "Podemos ir e voltar quantas vezes quisermos, "Kim disse sobre os comprimentos de onda reversivelmente sintonizáveis ​​dos dispositivos baseados em BP. Eles exploram as propriedades" mágicas "da BP, ele disse, especificamente, seu bandgap muda sob tensão, que é muito maior do que aqueles observados com materiais semicondutores convencionais.

    "Há inovação no próprio dispositivo, "Javey disse, "mas o material que estamos usando, fósforo preto, também tem propriedades inerentemente únicas [bandgap e sensibilidade à deformação], e estamos combinando essas duas características principais. "

    O fósforo preto é um material bidimensional como o grafeno. Em um processo chamado esfoliação, pesquisadores usam fita adesiva para levantar camadas nanométricas do material, que é então transferido para um substrato de polímero flexível, neste caso, tereftalato de polietileno glicol (PETG).

    A aplicação de tensão pode modular ativa e reversivelmente o comprimento de onda e a energia do fóton da onda eletromagnética emitida a partir do fósforo preto. Crédito:Hyungjin Kim / UC Berkeley

    "Porque é mecanicamente flexível, podemos dobrá-lo para um raio desejado e aplicar de forma controlada a tensão ao BP, "Kim disse. Isto é, dobrar torna-se um botão eficaz para modular o bandgap da BP.

    De fato, devido à sua estrutura reticulada enrugada, Kim disse, BP mostra propriedades dependentes de tensão únicas que, além do bandgap, incluem interação sintonizável de van der Waals e piezoeletricidade. A tensão pode ser aplicada ao BP de forma reversível devido à sua natureza de membrana fina, ele disse.

    Em um aplicativo, os pesquisadores usaram uma técnica chamada detecção de gás infravermelho não dispersivo. Porque cada gás tem sua própria banda de absorção, ou seja, a quantidade de luz que ele absorve em um comprimento de onda específico - um LED infravermelho ajustável de faixa de comprimento de onda de saída suficiente poderia detectar, por exemplo, dióxido de carbono expelido pela respiração humana. Isso porque o gás absorve luz em cerca de 4,3 micrômetros, dentro da faixa de 2,3 a 5,5 micrômetros do dispositivo. Outros gases detectáveis ​​com LEDs BP ajustáveis ​​incluem metano e água.

    Uma aplicação para fotodetectores BP pode ser a geração de imagens térmicas. Pode ser usado, por exemplo, em óculos de visão noturna para detectar qualquer fonte de calor exotérmica, como corpos humanos. Esses fotodetectores sintonizáveis ​​seriam capazes de gerar imagens térmicas seletivas em uma faixa de comprimentos de onda de infravermelho.

    Do ponto de vista dos materiais, há muito interesse em identificar novos semicondutores que sejam mais eficientes nesta faixa de comprimento de onda, Javey disse. "Foi quando começamos a olhar para o fósforo preto porque já era conhecido por ter um bandgap que se sobrepõe ao infravermelho de comprimento de onda médio. A partir daí, vimos como podemos construir dispositivos eficientes como LEDs e fotodetectores usando esse material. Mas o que é a novidade aqui é a capacidade de ajuste - que você pode ajustar ativamente o dispositivo com deformação em uma ampla faixa de comprimento de onda. "

    Seguindo em frente, Javey disse, "Acho que este conceito de dispositivo pode ser aplicado a outras partes do espectro, talvez até mesmo fazendo dispositivos que pudessem operar no regime visível. Isso pode permitir novos tipos de monitores, por exemplo, se esses conceitos e materiais podem ser incorporados em um manufaturável, forma escalável, com dispositivos eletromecânicos miniaturizados. "


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