(Phys.org) - Atualmente, todos os diodos emissores de luz (LEDs) emitem luz de apenas uma cor, que é predefinido durante a fabricação. Até aqui, o ajuste da cor da luz produzida por um único LED nunca foi realizado, apesar de inúmeras tentativas.

Portanto, é notável que em um novo estudo, cientistas demonstraram um LED que não só pode ser ajustado para emitir diferentes cores de luz, mas pode fazê-lo em quase todo o espectro visível:do azul (comprimento de onda de 450 nm) ao vermelho (comprimento de onda de 750 nm) - basicamente todas as cores, exceto os azuis e violetas mais escuros.

A chave para obter o LED com ajuste de cor é fabricá-lo com grafeno - o mesmo material que levou a pesquisas inovadoras em uma série de áreas, de baterias a células solares e semicondutores. Apesar do sucesso do grafeno nessas áreas, LEDs baseados em grafeno nunca foram realizados antes, tornando o novo dispositivo o primeiro LED à base de grafeno, além de ser o primeiro LED com cor ajustável.

As aplicações do novo LED incluem alta qualidade, telas de LED ajustáveis ​​por cores para TVs e dispositivos móveis, luminárias LED com ajuste de cor, e o potencial para uma variedade de futuros dispositivos fotônicos baseados em grafeno.

Combinando duas formas de grafeno

Os pesquisadores, liderado pelo professor Tian-Ling Ren da Universidade Tsinghua em Pequim, fez o material emissor de luz a partir da interface de duas formas diferentes de grafeno. Essas formas são óxido de grafeno (GO), que é produzido a partir de grafite barato, e óxido de grafeno reduzido (rGO), que é uma forma mais pura de GO.

Na interface do GO e do rGO está um tipo especial de GO parcialmente reduzido que possui óptica, fisica, e propriedades químicas que se encontram em algum lugar entre as de GO e rGO. A propriedade "combinada" mais importante da camada interfacial é que ela tem uma série de níveis de energia discretos, que, em última análise, permite a emissão de luz em muitas energias diferentes, ou cores.

A ocorrência desta propriedade é especialmente interessante porque, por conta deles, nem GO nem rGO (ou qualquer outra forma conhecida de grafeno, quanto a isso) pode emitir qualquer luz. Isso ocorre porque nenhum dos materiais tem o tamanho certo "bandgap, "que é a lacuna entre duas bandas de energia que os elétrons devem cruzar para conduzir eletricidade ou emitir luz. Embora GO tenha uma lacuna de banda extremamente grande, rGO tem um bandgap zero.

Em vez de ter um bandgap em algum lugar entre GO e rGO, o GO interfacial parcialmente reduzido, na verdade, tem muitos bandgaps intermediários diferentes como resultado de como a mistura ocorre - não como uma transição suave, mas na forma de nanoclusters rGO embutidos na camada GO. Como esses nanoclusters rGO são reduzidos em vários graus na interface, eles exibem variações em seus níveis de energia e, consequentemente, na cor da luz emitida. Esses níveis de energia podem ser facilmente modulados pela alteração da voltagem aplicada ou por dopagem química, que estimula seletivamente uma única cor de luminescência e permite o ajuste da cor do LED.

"Descobrimos que uma combinação de GO e rGO pode criar um material de bandgap condutor e amplo, "Ren disse Phys.org . "É comumente conhecido que o grafeno não tem um bandgap. Portanto, todos nós ficamos surpresos que nossa interface GO / rGO (um sistema baseado em grafeno) pode realmente ser luminescente."

Expectativas comerciais

O fato de que esta é a primeira observação de luminescência em um sistema baseado em grafeno abre caminho para o uso do grafeno como fonte de luz em futuros dispositivos fotônicos baseados em grafeno. Um LED com ajuste de cor também é altamente desejado para telas e luminárias de LED de alta qualidade. Como a cor muda em resposta a certos produtos químicos, os dispositivos também podem ter aplicativos de detecção.

"À base de grafeno, LEDs ajustáveis ​​por cor podem permitir a realização de tecnologias de display flexíveis que podem cobrir todo o espectro visível, "Ren disse." Os LEDs convencionais emitem apenas um comprimento de onda fixo de luz e, portanto, as tecnologias de exibição requerem uma mistura de vermelho, verde, e LEDs azuis. Se for baseado em grafeno, LED com ajuste de cor é usado, uma tela colorida e flexível pode ser realizada de maneira simples. Uma ampla gama de eletrônicos de consumo e médicos pode se beneficiar dessa tecnologia. "

Em seu trabalho, os pesquisadores projetaram, fabricado, e testou 20 LEDs baseados em grafeno. Geral, os dispositivos demonstraram bom brilho, mas baixa eficiência, que eles planejam melhorar. Outra desvantagem do protótipo atual é uma vida útil de emissão muito curta de menos de um minuto ou mais em condições ambientais e cerca de 2 horas no vácuo. Os pesquisadores atribuem a curta vida útil à oxidação no ar e prevêem que os revestimentos protetores podem melhorar essa área.

Apesar do espaço para melhorias, os pesquisadores esperam que os LEDs à base de grafeno tenham perspectivas comerciais encorajadoras devido a várias vantagens, incluindo sua sintonia precisa de cores, estrutura compacta, e fabricação direta.

"A eficiência do LED de grafeno pode ser melhorada ainda mais, "Ren disse." Uma maneira de conseguir isso seria usando materiais do tipo n [semicondutores] combinados com grafeno. A curta vida útil também pode ser melhorada pela vedação a vácuo. A comercialização pode ser esperada em alguns anos, pois nosso método é simples e de baixo custo. Como acontece com qualquer outro desenvolvimento tecnológico que sai de um laboratório, desafios existem; Contudo, acreditamos que esses desafios podem ser superados em um futuro próximo. Acreditamos que à base de grafeno, LEDs com ajuste de cor são uma tecnologia promissora para telas flexíveis. "

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