Os chamados quantum-dots (pontos quânticos), constituídos por partículas nanométricas semicondutoras, são ótimos materiais para a fabricação de LEDs, pois produzem brilho intenso; emitem luz em uma faixa bem estreita de comprimentos de onda, o que possibilita alta resolução de cor; e são relativamente baratos para produção em larga escala. No entanto, sua utilização esbarra em um poderoso fator limitante: a baixa eficiência elétrica, da ordem de apenas 0,1% a 0,2%.
Isso decorre de um fenômeno quântico denominado “efeito Auger”, assim chamado em homenagem a um de seus descobridores, o físico francês Pierre Victor Auger (1899-1993).
No átomo, quando um elétron próximo do núcleo é removido, deixando uma vaga na camada eletrônica que ocupava, outro elétron, mais distante (portanto, dotado de um nível maior de energia cinética), vem preencher o seu lugar.
O efeito esperado é que a energia excedente desse segundo elétron seja liberada para o meio com a emissão de um fóton (a partícula associada à interação eletromagnética). Porém, pode ocorrer que a energia seja transmitida a um terceiro elétron, que, excitado, supera a atração eletromagnética do núcleo, sendo ejetado pelo átomo. Foi esse outro desfecho possível que recebeu o nome de “efeito Auger”.
Fenômeno análogo (neste caso, denominado “recombinação Auger”) pode ocorrer em um material semicondutor, quando, ao ocupar lacuna na rede atômica, em vez de liberar fóton, o elétron transmite sua energia a outro elétron, que é ejetado pela rede. Transformando energia elétrica em energia cinética, em vez de energia luminosa, a “recombinação Auger” faz com que a eficiência dos LEDs seja extremamente baixa.
Mas um experimento recente, realizado na Divisão de Química do Los Alamos National Laboratory, dos Estados Unidos, conseguiu controlar a influência da “recombinação Auger”. O time de pesquisadores, do qual participou o brasileiro Lázaro Padilha, professor doutor no Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), publicou seu trabalho na Nature Communications, jornal eletrônico do grupo Nature – o artigo pode ser acessado em: www.nature.com/ncomms/2013/131025/ncomms3661/full/ncomms3661.html.
“Produzimos novos materiais que possibilitaram minimizar o ‘efeito Auger’. Com eles, foi possível obter LEDs até 10 vezes mais eficientes, com uma taxa de conversão de energia elétrica em energia luminosa da ordem de 2%”, disse Padilha à Agência FAPESP.
“Mais do que isso: conseguimos limitar o processo de ionização do material. Essa ionização, que decorre da injeção de elétrons, acentua o ‘efeito Auger’. Quanto mais carga injetada, maior o ‘efeito Auger’. Criando uma barreira para controlar a injeção, chegamos a uma eficiência da ordem de 8%. Ou seja, aumentamos a eficiência em até 40 vezes, de 0,1% a 0,2% para 8%”, acrescentou o pesquisador.
Para isso, os pesquisadores utilizaram, como ponto de partida, quantum-dots de seleneto de cádmio (CdSe). Esse material semicondutor confere ao LED a eficiência de 0,1% a 0,2%. Revestindo o núcleo de seleneto de cádmio de cada partícula com uma camada de sulfeto de cádmio (CdS) e introduzindo, entre o núcleo de CdSe e a camada externa de CdS, uma película bem fina de uma liga dos dois materiais (CdSeS), foi possível aumentar a eficiência para cerca de 2%.
Por fim, acima da camada de CdS, foi acrescentada outra camada, composta de uma liga de zinco, cádmio e enxofre (ZnCdS). Essa liga funcionou como barreira, limitando e controlando a entrada de elétrons na nanopartícula e, dessa forma, reduzindo ainda mais o “efeito Auger”. Assim, foi possível elevar a eficiência para 8%.
“O grande mérito desse trabalho foi a engenharia do material, que possibilitou controlar a interação dos elétrons da corrente com as lacunas (isto é, as ausências de elétrons) da rede atômica do semicondutor”, comentou Padilha.
“As nanopartículas, com diâmetro total de 7 nanômetros cada, foram obtidas por meio de síntese química, com um controle muito rigoroso de cada etapa das reações”, explicou.
Com a utilização dessas nanopartículas modificadas será possível, por exemplo, produzir aparelhos de televisão capazes de gerar mais luz com menor consumo de eletricidade. Outra vantagem – esta relacionada com o uso de quantum-dots em geral – é que a estreita banda de emissão luminosa de cada nanopartícula permitirá melhorar muito a resolução de cor.
Agência FAPESP
