Pesquisadores do Berkeley Lab em parceria com a Universidade da Califórnia, ambos nos EUA, desenvolveram um novo tipo de LED que brilha quando é esticado ou comprimido e não esquenta. O material atinge 100% de sua eficiência na emissão de luz em todos os níveis de brilho sem liberar energia na forma de calor.
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A técnica consiste em aplicar tensão sobre um filme semicondutor fino de maneira que ele mude sua estrutura eletrônica, causando uma interação entre as partículas energéticas do material. Como essas partículas colidem e se anulam, perdendo energia em forma de calor, ao mudar sua estrutura eletrônica é possível reduzir essa probabilidade com uma conversão quase perfeita de energia em luz.
“É sempre mais fácil emitir calor do que luz, especialmente em níveis de alto brilho. Em nosso trabalho, conseguimos reduzir o processo de perda em cem vezes, levando a um aproveitamento quase total de energia em condições diversas”, explica o professor de engenharia do Berkeley Lab Ali Javey, autor principal do estudo.
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Excítons
Para criar o novo LED, os cientistas usaram uma única camada de três átomos de espessura de um material semicondutor conhecido como dicalcogeneto de metal de transição submetido a uma deformação mecânica. Esse material possui uma estrutura cristalina única, capaz de criar partículas energéticas quando seus átomos são excitados pela passagem de uma corrente elétrica.
Esse processo dá origem aos excítons, formados quando materiais semicondutores absorvem os fótons de luz, fazendo com que os elétrons carregados negativamente saltem de um nível mais baixo de energia para um patamar mais alto, liberando essa energia ao emitir luz ou calor. É essa eficiência em irradiar luz em vez de calor que determina o desempenho do LED.
“Quando a concentração de excítons é mínima, descobrimos como alcançar uma eficiência de emissão de luz perfeita. Mostramos que a carga química ou eletrostática de materiais de camada única pode levar a uma conversão de alta eficiência, mas apenas para uma baixa concentração de excítons”, afirma o estudante de engenharia elétrica Zia Uddin, coautor do estudo.
Alto desempenho
Para alcançar um alto desempenho na emissão de luz, os pesquisadores ajustaram a estrutura de banda do material, uma propriedade eletrônica capaz de controlar como os excítons interagem uns com os outros. Eles colocaram um filme semicondutor de dissulfeto de tungstênio sobre um substrato de plástico.
Ao dobrar esse substrato, eles aplicaram uma pequena quantidade de tensão no filme, focalizando um feixe de laser mais intenso para obter uma concentração maior de excítons e, consequentemente, uma configuração de alto brilho. Com isso, eles descobriram que o material emitia luz com mais eficiência conforme a tensão utilizada.
“Comprimir e esticar o material semicondutor reduziu a tendência de colisão em altas concentrações de partículas, diminuindo a perda de calor e aumentando a eficiência luminosa do LED. Esses materiais de camada única são fundamentais para aplicações optoeletrônicas, pois fornecem alto brilho apesar das imperfeições em seus cristais”, encerra o professor Ali Javey
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Fonte: Canaltech
