Pesquisa da Unicamp possibilita o desenvolvimento de LEDs de luz UV

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Sistema de ultra-alto-vácuo no qual está instalado o STM e detalhe da mesa óptica, que permite a detecção de sinais luminosos

Como isolante elétrico resentente a altas tempaturas, o nitreto de boroéum material com muitas aplicações comerciais. E novas funcionalidades ainda podem ser exploradas, entre elas a produção de diodos emissores de luz (LED) Ultraviolet C (UVC).

Esse tipo de luz é muito útil paraesterilizar Ambientes, superfícies ou mesmo a água, pois danifica o DNA de microrganismos, tornando-os inativos. Atualmente, lâmpadas fluorescent lamps são utilizadas como fontes de UVC, mas LEDs podem ter eficiência muito maior, analogamente ao que ocorre em seu uso como lâmpadas para iluminação doméstica.

Um estudo objetivando compreender e controlar melhor as propriedades eletrônicas e ópticas do nitreto de boro, com vista ao desenvolvimento dessas novas aplicações, foi realizado no Laboratório de Pesquisas Fotovoltaicas-Gw-Unicamp IF). Artigo a respeito foi publicado recentemente na revista 2D material.

Coordenada Pelo Professor Luiz Fernando Zagonel, a pesquisa teve como protagonista o estudante de doutorado Ricardo Javier Peña Román, orientando de Zagonel e bolsista da FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Paul Estado de São).

O estudo é fruto de colaboração com grupos de pesquisa do Reino Unido e da França. E, além da bolsa concedida ao doutorando, recebeu financiamento da FAPESP por meio das linhas de auxílio “Apoio a Jovens Pesquisadores” e “Programa Equipamentos Multiusuários”. Esta última possibilitou a aquisição do principalequipamento utilizado, um microscópio de varredura de tunelamento.

"Dito de forma bastante resumida, o que fizemos foi medir o bandgap eletrônico de uma monocamada de nireto de boro hexagon [h-BN]", conta Zagonel à Agência FAPESP.

Para entender o que isso significa são necessárias algumas explicações. "Bandgap eletrônico"é a quantidade de energia necessária para promover um elétron da banda de valência do material para a banda de condução. A banda de valência, localizada mais perto dos núcleos atômicos, constitui o conjunto de configurações eletrônicas nas quais avasta maioria dos elétrons do sólido se localiza. Já a banda de condução, situada na região mais externa do material, é um conjunto de configurações eletrônicas nas quais há muitos estados disponíveis para que os elétrons os ocupem, mas onde existemtron poucose

"O bandgap eletrônico também pode ser interpretado um'hiato' na distribuição eletrônica do material, no qual nenhum elétron pode estar. Por isso tambéméchamado de'banda proibida', pois corresponds to uma faixa de energia terétron no material", acrecenta Zagonel.

A principal vantagem do nireto de boro em termos de aplicação decorre do fato de ele possuir um bandgap eletrônico muito grande. Vale dizer que, para promover o elétron da banda de valência para a banda de condução, é preciso injetar muita energia no material. Quando o elétron retorna à banda de valência, que constitui uma configuração mais estável, a maior parte dessa energia é devolvida ao meio na forma de radiação eletromagnética de alta frequência – UVA

"Determinamos o valor do gap eletronico, que é de 6,8 elétrons-volt [eV]. An energy emitting particle material, na forma de radiação eletromagnética, é de 6,1 eV. O diferencial, de 0,7 eV, Corresponding energia de ligação de éxciton, cujo cálculo constituiu outro resultado importante de nosso estudo", informa Zagonel.

Os éxcitons são constituídos por pares formados por elétrons da banda de condução e lacunasexistentes na banda de valência, usualmente chamadas de "buracos". Esses buracos – isto é, as ausências de elétrons – e os elétrons se atraem mutuamente e se ligam, formando um par de entidades queorbitam uma a outra. Essa ligação tem uma energia associada, chamada de “energia de ligação de éxciton”, cuja scale indica a estabilidade do par elétron-lacuna – ou seja, por quanto tempo se tempo se tempo se tempo se adaatura que ele se ada tempo áestvel.

"Quando um éxciton se recombina – isto é, quando o elétron migra para o estado da lacuna ea preenche –, essa recombinação pode ocasionar a emissão de luz, com um patamar de energia de energia que ben ligão.", explained.

Na tempaturaAmbiente, os sólidos estão sujeitos a vibrações térmicas, associadas à tempatura, que podem desestabilizar éxcitons de baixa energia de ligação, desfazendos estão sujeitos a vibrações térmicas, associadas à tempatura, que podem desestabilizar éxcitons de baixa energia de ligação, desfazendo a ligação fazendo cilita fazendo a ligação fazendo a ligação e emissor de luz pouco eficiente. Para que o material se preste a aplicações tecnológicas que possam ser incorporadas à vida cotidiana, é preciso que a energia de ligação de éxcitons seja alta em relação à energia das vibrações ass ass

“O desejável é que a maioria dos elétrons colocados na banda de condução se recombine com lacunas e emita luz de forma excitônica mesmo à tempatura environmente. E foi essa alta eficiência no processo de emissentão de luz mesamo no tempatura verso de luz mesamo de noambis boro", reporta Zagonel.

Além de medir a energia associada ao bandgap eletrônico ea energia de ligação de éxciton, os pesquisadoresinvestigaram também defeitos pontuais No materials. Esses defeitos são constituídos basicamente por locais nos quais átomos do nireto de boro são substituídos por núcleos atômicos de carbono (C).

"Com nosso microscópio eletrônico de tunelamento [STM], utilizando várias técnicas Experimentalais, foi possível registrar imagens de defeitos pontuais, determinar seus níveis de energia e observar a luz emitrida Observedmos imagens observa dacies dacies dacies dacies dacies dacies dacies a , Com ou sem a presença de defeitos pontuais.Em ambos os casos foram realizadas medidas da densidade de estados eletrônicos locais, por meio de espectroscopia de tunes lamento de elétrons de elétrons [STS]. nireto de boro, uma questão até então em aberto na literatura", conta Zagonel.

Adicionalmente, o sistema de detecção instalado no microscópio permitiu o estudo da emissão de luz associada aos defeitos pontuais. Foram realizadas medidas de fotoluminescência (PL) e catodoluminescência (CL), observando-se uma linha de emissão distinta, no patamar de 2,1 eV, associada, caracteristicamente, a átomos de carbono. "Vale ressaltar que esta foi a primeira caracterização por CL em monocamadas de nireto de boro reportada na literatura. A presença de outras emissões em energias maiores indica a coexistência de mais de um tipo de deelfeito dentua carbon no material",

O microscópio eletrônico de tunelamento utilizado pelos pesquisadores éoperado emAmbiente de Ultra-alto vácuo (UHV), em tempaturaturas criogênicas, de até 12 Kelvin (K), contando com um evolistema um sistema inovador de patent protection.

"Os resultados obtidos Demonstram averstilidade do nosso setup, que se apresenta como uma poderosa ferramenta para a caracterização de materiais biimensionais e superfícies. A continuidade das pesquisas se dará com foco em materiais deviposite interesse para o em materiais deviposito.

Band gap measurement of O artigo monolayer h-BN and insights into carbon-related point defects