p Os pesquisadores usaram microfios de óxido de zinco para melhorar significativamente a eficiência na qual diodos emissores de luz de nitreto de gálio (LED) convertem eletricidade em luz ultravioleta. Os dispositivos são considerados os primeiros LEDs cujo desempenho foi aprimorado pela criação de uma carga elétrica em um material piezoelétrico usando o efeito piezo-fototrônico. p Ao aplicar tensão mecânica aos microfios, pesquisadores do Georgia Institute of Technology criaram um potencial piezoelétrico nos fios, e esse potencial foi usado para ajustar o transporte de carga e melhorar a injeção de portadora nos LEDs. Este controle de um dispositivo optoeletrônico com potencial piezoelétrico, conhecido como piezo-fototrônica, representa outro exemplo de como os materiais que têm propriedades piezoelétricas e semicondutoras podem ser controlados mecanicamente.

p "Ao utilizar este efeito, podemos aumentar a eficiência externa desses dispositivos por um fator de mais de quatro vezes, até oito por cento, "disse Zhong Lin Wang, um professor regente na Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Georgia Tech. "Do ponto de vista prático, este novo efeito pode ter muitos impactos para os processos eletro-ópticos - incluindo melhorias na eficiência energética dos dispositivos de iluminação. "

p Os detalhes da pesquisa foram relatados na edição de 14 de setembro da revista. Nano Letras . A pesquisa foi patrocinada pela Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE). Além de Wang, a equipe de pesquisa incluía principalmente Qing Yang, um cientista visitante da Georgia Tech, do Departamento de Engenharia Ótica da Universidade de Zhejiang, na China.

p Por causa da polarização de íons nos cristais de materiais piezoelétricos, como óxido de zinco, a compressão mecânica ou de outra forma de tensionar as estruturas feitas dos materiais cria um potencial piezoelétrico - uma carga elétrica. Nos LEDs de nitreto de gálio, os pesquisadores usaram o potencial piezoelétrico local para sintonizar o transporte de carga na junção p-n.

p O efeito foi aumentar a taxa na qual os elétrons e buracos se recombinaram para gerar fótons, aumentando a eficiência externa do dispositivo por meio de emissão de luz aprimorada e corrente de injeção mais alta. "O efeito do piezopotencial no comportamento de transporte dos portadores de carga é significativo devido à sua modificação da estrutura de banda na junção, "Wang explicou.

p Os fios de óxido de zinco formam o componente "n" de uma junção p-n, com a película fina de nitreto de gálio fornecendo o componente "p". Portadores livres foram presos nesta região de interface em um canal criado pela carga piezoelétrica formada pela compressão dos fios.

p Os designs tradicionais de LEDs usam estruturas como poços quânticos para capturar elétrons e lacunas, que devem permanecer juntos por tempo suficiente para se recombinarem. Quanto mais tempo os elétrons e buracos podem ser retidos próximos uns dos outros, quanto maior será a eficiência do dispositivo LED.

p Os dispositivos produzidos pela equipe da Georgia Tech aumentaram sua intensidade de emissão em um fator de 17 e aumentaram a corrente de injeção em um fator de quatro quando uma deformação compressiva de 0,093 por cento foi aplicada ao fio de óxido de zinco. Isso melhorou a eficiência de conversão em um fator de 4,25.

p Os LEDs fabricados pela equipe de pesquisa produziram emissões em frequências ultravioleta (cerca de 390 nanômetros), mas Wang acredita que as frequências podem ser estendidas para a faixa de luz visível para uma variedade de dispositivos optoeletrônicos. "Esses dispositivos são importantes para o foco de hoje em tecnologia de energia verde e renovável, " ele disse.

p Nos dispositivos experimentais, um único LED de micro / nanofio de óxido de zinco foi fabricado pela manipulação de um fio em um substrato valvulado. Um filme de nitreto de gálio dopado com magnésio foi cultivado epitaxialmente em um substrato de safira por deposição de vapor químico metalorgânico, e foi usado para formar uma junção p-n com o fio de óxido de zinco.

p Um substrato de safira foi usado como cátodo, que foi colocado lado a lado com o substrato de nitreto de gálio com uma lacuna bem controlada. O fio foi colocado através da lacuna em contato próximo com o nitreto de gálio. Fita de poliestireno transparente foi usada para cobrir o nanofio. Uma força foi então aplicada à fita por uma haste de alumina conectada a um estágio de nanoposicionamento piezo, criando a tensão no fio.

p Os pesquisadores então estudaram a mudança na emissão de luz produzida pela variação da quantidade de tensão em 20 dispositivos diferentes. Metade dos dispositivos mostrou maior eficiência, enquanto os demais - fabricados com orientação oposta aos microfios - apresentaram decréscimo. This difference was due to the reversal in the sign of the piezopotential because of the switch of the microwire orientation from +c to –c.

p High-efficiency ultraviolet emitters are needed for applications in chemical, biológico, aeroespacial, military and medical technologies. Although the internal quantum efficiencies of these LEDs can be as high as 80 percent, the external efficiency for a conventional single p-n junction thin-film LED is currently only about three percent.

p Beyond LEDs, Wang believes the approach pioneered in this study can be applied to other optical devices that are controlled by electrical fields.

p "This opens up a new field of using the piezoelectric effect to tune opto-electronic devices, " Wang said. "Improving the efficiency of LED lighting could ultimately be very important, bringing about significant energy savings because so much of the world's energy is used for lighting."