O artigo científico de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é:

Wan Ki Bae, Young-Shin Park, Jaehoon Lim, Donggu Lee, Lazaro A. Padilha, Hunter McDaniel, Istvan Robel, Changhee Lee, Jeffrey M. Pietryga & Victor I. Klimov. Controlling the influence of Auger recombination on the performance of quantum-dot light-emitting diodes. Nature Communications 4, article number 2661, published 25 October 2013. doi:10.1038/ncomms3661.

Texto de divulgação: 

Pontos quânticos desenvolvidos para LEDs mais eficientes

Um trabalho de pesquisa publicado no mês de outubro na Nature Communications, revista científica de conteúdo aberto do grupo Nature, resultou num material que aumenta dezenas de vezes a eficiência de LEDs de pontos quânticos ao diminuir a influência do efeito Auger, um dos principais limitadores da eficiência desses dispositivos que apresentam grande potencial para serem usados em iluminação, entre outras aplicações. O trabalho foi realizado no Grupo de Nanotecnologia e Espectroscopia Avançada do Laboratório Nacional de Los Alamos, localizado no sul dos Estados Unidos, com a participação de um doutor brasileiro, Lázaro Padilha, e com a colaboração de grupos da Coreia.

“O resultado veio depois de mais de um ano de pesquisa sobre como efetivamente minimizar o efeito Auger em pontos quânticos”, relata Padilha, atualmente professor do Instituto de Física da Unicamp, que chegou a Los Alamos em 2010 para fazer um estágio de pós-doutorado. O trabalho que gerou o paper na Nature Communications, além de outros artigos em periódicos de alto fator de impacto como Nano Letters e ACS Nano, começou no final de 2011 e, na sua primeira etapa, visou entender o processo físico para minimizar a influência do chamado “efeito Auger” ou “recombinação Auger” nos pontos quânticos.

Os pontos quânticos, cristais semicondutores de alguns nanometros de tamanho, apresentam propriedades que possibilitam a emissão de luz com brilho intenso e cores puras e podem ser fabricados usando técnicas simples e de baixo custo. Por esses motivos, essas nanopartículas são materiais interessantes para a fabricação de LEDs. Desde a primeira demonstração de LEDs de pontos quânticos, ocorrida em 1994 (Nature 370, 354 – 357, 04 August 1994; doi:10.1038/370354a0), esses dispositivos têm sido objeto de pesquisas visando otimizar sua capacidade de converter eletricidade em luz.

Nos LEDs, a emissão de luz se produz quando, ao se introduzir energia no dispositivo por meio de corrente elétrica, ocorrem recombinações nos átomos do material emissor. Especificamente, elétrons próximos ao núcleo do átomo saem de seu lugar deixando vagas, as quais são preenchidas por elétrons mais distantes, dotados de mais energia. A energia excedente pode sair em forma de fóton, ocorrendo a desejada emissão de luz, ou pode ser transmitida a um terceiro elétron, que será ejetado do átomo. Esta segunda possibilidade constitui o efeito Auger, que pode ser visto como um concorrente da emissão de luz no uso da energia.

Nanoengenharia dos pontos quânticos

Depois de compreender como minimizar a recombinação Auger nos pontos quânticos do ponto de vista físico e constatar que impacta significativamente na eficiência dos LEDs, o grupo de Los Alamos se propôs a desenvolver o material que teria o melhor desempenho frente a esse efeito. “Eu trabalhei nos estudos de espectroscopia para entender os processos físicos que levariam a um melhor desempenho dos materiais como base para LEDs”, diz Lázaro Padilha.

O desenvolvimento do material foi feito a partir de pontos quânticos compostos por um núcleo de seleneto de cádmio (CdSe) e uma casca de sulfeto de cádmio (CdS). Para conseguir a redução da influência do efeito Auger, os cientistas aplicaram duas estratégias de nanoengenharia: a variação da espessura da casca e a introdução de uma camada composta por uma liga de zinco, cádmio e enxofre (ZnCdS) entre o núcleo e a casca.

Após concluir, em Los Alamos, o desenvolvimento do material base, os colaboradores da Coreia do construíram LEDs com uma arquitetura na qual a camada emissora, formada pelos pontos quânticos, ficou inserida entre as camadas de transporte de cargas negativas e positivas, sendo uma inorgânica e a outra orgânica, respectivamente, como mostra a figura a seguir, extraída do artigo da Nature Communications:

“Uma vez encontrado o material que teria o melhor efeito, foram fabricados os LEDs e pudemos confirmar os resultados esperados”, conta Padilha. A confirmação ocorreu através de uma série de medidas espectroscópicas dos pontos quânticos dentro dos dispositivos.

De acordo com Padilha, com os novos materiais desenvolvidos, os cientistas conseguiram obter LEDs de pontos quânticos até 10 vezes mais eficientes, com uma taxa de conversão de energia elétrica em energia luminosa da ordem de 8%.