Los investigadores han utilizado microalambres de óxido de zinc para mejorar significativamente la eficiencia con la que los diodos emisores de luz (LED) de nitruro de galio convierten la electricidad en luz ultravioleta. Se cree que los dispositivos son los primeros LED cuyo rendimiento se ha mejorado mediante la creación de una carga eléctrica en un material piezoeléctrico utilizando el efecto piezo-fototrónico.

Aplicando tensión mecánica a los microalambres, investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia crearon un potencial piezoeléctrico en los cables, y ese potencial se utilizó para ajustar el transporte de carga y mejorar la inyección del portador en los LED. Este control de un dispositivo optoelectrónico con potencial piezoeléctrico, conocido como piezo-fototrónico, representa otro ejemplo de cómo se pueden controlar mecánicamente materiales que tienen propiedades tanto piezoeléctricas como semiconductoras.

"Al utilizar este efecto, podemos mejorar la eficiencia externa de estos dispositivos en un factor de más de cuatro veces, hasta el ocho por ciento, "dijo Zhong Lin Wang, profesor de Regents en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. "Desde un punto de vista práctico, este nuevo efecto podría tener muchos impactos en los procesos electroópticos, incluidas mejoras en la eficiencia energética de los dispositivos de iluminación ".

Los detalles de la investigación se informaron en la edición del 14 de septiembre de la revista. Nano letras . La investigación fue patrocinada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). Además de Wang, el equipo de investigación incluyó principalmente a Qing Yang, científico visitante en Georgia Tech del Departamento de Ingeniería Óptica de la Universidad de Zhejiang en China.

Debido a la polarización de iones en los cristales de materiales piezoeléctricos como el óxido de zinc, Al comprimir mecánicamente o tensar de otro modo las estructuras hechas de los materiales se crea un potencial piezoeléctrico, una carga eléctrica. En los LED de nitruro de galio, los investigadores utilizaron el potencial piezoeléctrico local para ajustar el transporte de carga en la unión p-n.

El efecto fue aumentar la velocidad a la que los electrones y los huecos se recombinan para generar fotones, mejorando la eficiencia externa del dispositivo a través de una emisión de luz mejorada y una mayor corriente de inyección. "El efecto del piezopotencial en el comportamiento de transporte de los portadores de carga es significativo debido a su modificación de la estructura de la banda en la unión, Wang explicó.

Los alambres de óxido de zinc forman el componente "n" de una unión p-n, con la película fina de nitruro de galio proporcionando el componente "p". Los portadores libres quedaron atrapados en esta región de interfaz en un canal creado por la carga piezoeléctrica formada al comprimir los cables.

Los diseños LED tradicionales utilizan estructuras como pozos cuánticos para atrapar electrones y agujeros, que deben permanecer juntos el tiempo suficiente para recombinarse. Cuanto más tiempo se puedan retener los electrones y los huecos cerca unos de otros, mayor será la eficiencia del dispositivo LED en última instancia.

Los dispositivos producidos por el equipo de Georgia Tech aumentaron su intensidad de emisión en un factor de 17 y aumentaron la corriente de inyección en un factor de cuatro cuando se aplicó una tensión de compresión de 0.093 por ciento al alambre de óxido de zinc. Eso mejoró la eficiencia de conversión hasta en un factor de 4.25.

Los LED fabricados por el equipo de investigación produjeron emisiones a frecuencias ultravioleta (aproximadamente 390 nanómetros), pero Wang cree que las frecuencias se pueden extender al rango de luz visible para una variedad de dispositivos optoelectrónicos. "Estos dispositivos son importantes para el enfoque actual en la tecnología de energía verde y renovable, " él dijo.

En los dispositivos experimentales, Se fabricó un solo LED de micro / nanocables de óxido de zinc manipulando un cable en un sustrato con zanjas. Se hizo crecer epitaxialmente una película de nitruro de galio dopado con magnesio sobre un sustrato de zafiro mediante deposición de vapor químico metalorgánico, y se usó para formar una unión p-n con el alambre de óxido de zinc.

Se usó un sustrato de zafiro como cátodo que se colocó uno al lado del otro con el sustrato de nitruro de galio con un espacio bien controlado. El alambre se colocó a través del espacio en estrecho contacto con el nitruro de galio. Se utilizó cinta de poliestireno transparente para cubrir el nanoalambre. Luego se aplicó una fuerza a la cinta mediante una varilla de alúmina conectada a una etapa de nanoposicionamiento piezoeléctrico, creando la tensión en el alambre.

Luego, los investigadores estudiaron el cambio en la emisión de luz producido al variar la cantidad de tensión en 20 dispositivos diferentes. La mitad de los dispositivos mostró una mayor eficiencia, mientras que los demás, fabricados con la orientación opuesta de los microalambres, mostraron una disminución. 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.

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.

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

"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."