Los diodos emisores de luz (LED) tradicionalmente exigen perfección atómica para optimizar la eficiencia. En la nanoescala, donde las estructuras abarcan apenas mil millonésimas de metro, los defectos deben evitarse a toda costa, hasta ahora.

Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y de la Universidad Stony Brook ha descubierto que las imperfecciones sutiles pueden aumentar drásticamente la eficiencia y la salida de luz ultravioleta (UV) de ciertos materiales LED.

"Los resultados son sorprendentes y completamente contradictorios, "dijo el científico de Brookhaven Lab, Mingzhao Liu, el autor principal del estudio. "Estos defectos casi imperceptibles, que resultó faltar oxígeno en la superficie de los nanocables de óxido de zinc, realmente mejorar el rendimiento. Esta revelación puede inspirar nuevos diseños de nanomateriales mucho más allá de los LED que de otro modo habrían sido descartados por reflejo ".

Los resultados, publicado en línea el 5 de diciembre de 2017, en Letras de física aplicada , ayudar a que estas estructuras de óxido de zinc estén un paso más cerca de su uso como fuente de rayos ultravioleta en aplicaciones prácticas, incluyendo sensores médicos, catalizadores, e incluso iluminación del hogar.

"El estándar LED actual para la luz ultravioleta es el nitruro de galio, que funciona maravillosamente pero es caro y está lejos de ser ecológico, ", dijo el científico de Brookhaven y coautor del estudio Dario Stacchiola." Este óxido de zinc 'imperfecto' supera esos problemas ".

Los científicos aprovecharon la singular instrumentación y experiencia disponible en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven Lab y la Fuente de Luz Nacional Sincrotrón II (NSLS-II), ambas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"Tener la capacidad de explorar materiales desde la síntesis hasta la caracterización compleja es una ventaja única de Brookhaven Lab, "Dijo Stacchiola." De hecho, el enigma de la eficiencia de la emisión de nanocables de óxido de zinc solo podría resolverse cuando se pusieran en funcionamiento nuevos instrumentos en NSLS-II ".

Luz nacida en el borde

Los LED de alto rendimiento explotan un fenómeno llamado fotoluminiscencia del borde de la banda cercana (NBE) que se encuentra en los materiales semiconductores.

"Cuando los electrones en la banda de conducción se recombinan con los huecos en la banda de valencia, cruzando el borde de la llamada banda prohibida, pueden emitir luz, "Dijo Liu." Optimizando ese efecto, específicamente para la radiación ultravioleta, era nuestro objetivo principal ".

Los científicos utilizaron un enfoque basado en una solución de baja temperatura relativamente simple para cultivar nanocables compuestos de cristales de óxido de zinc. Luego aplicaron plasma de oxígeno para limpiar las estructuras finales de nanocables.

"Por casualidad, durante una prueba, ejecutamos este paso de plasma bajo una presión mucho más baja de lo habitual, y los resultados fueron fortuitos e impactantes, "Dijo Liu." Ese tratamiento con plasma de baja presión es el verdadero cambio de juego aquí ".

Las inesperadas emisiones de NBE han desconcertado a los científicos durante años, pero las herramientas de investigación finalmente avanzaron lo suficiente como para arrojar luz sobre el misterio.

Luces brillantes y nanotecnología de próxima generación

La clave del avance vino a través de una fuerte sinergia entre dos líneas de luz en NSLS-II. Los datos de la línea de luz 8-ID, una de las fuentes de absorción de rayos X más intensas del mundo, combinados con el primer conjunto de resultados de un nuevo estación terminal de microscopía electrónica de fotoemisión de rayos X (XPEEM) de última generación en la línea de luz 21-ID-2. La estación terminal XPEEM se ejecuta como una asociación entre CFN y NSLS-II.

Beamline 8-ID reveló la cantidad de absorción de rayos X, que luego se utilizó para deducir el estado oxidativo de las muestras. Las mediciones en la línea de luz 21-ID-2 complementaron ese trabajo, bombardear la muestra con rayos X para excitar electrones y emitir fotones de acuerdo con los niveles de banda de la muestra. Al analizar esa energía, las posiciones de las bandas y su papel en la emisión de luz se pudieron determinar con gran precisión.

"Descubrimos que las vacantes de oxígeno en la superficie crean dipolos que confinan los portadores de carga al núcleo del nanoalambre, ", dijo el coautor del estudio y científico de NSLS-II Klaus Attenkofer." Estas vacantes parecen impulsar la emisión de luz pura y altamente eficiente. Y como sabemos exactamente qué distingue a esta estructura de óxido de zinc, sabemos cómo construir sobre él y explorar materiales similares ".

La nueva técnica de síntesis permite estructuras adicionales, como de alta calidad, capas de óxido de titanio, que podría ser ideal para fotocatalizadores. Tal material podría actuar eficientemente como divisor de agua, suministro de combustible de hidrógeno para una serie de tecnologías de energía renovable. Los experimentos futuros explorarán esta posibilidad e incluso observarán el desarrollo de las reacciones catalíticas en tiempo real.

"La fuerte sinergia entre CFN y NSLS-II hace de Brookhaven Lab un lugar único para realizar investigaciones sobre nanomateriales, "dijo Chuck Black, el director de la CFN. "Trabajando en estrecha colaboración, las dos instalaciones están desarrollando y ofreciendo nuevas capacidades de investigación en beneficio de los investigadores de todo el mundo. Estas herramientas de vanguardia son fundamentales para acelerar la investigación en nanociencia, que habilitará los materiales avanzados del mañana ".