O que causa umLIDERADOficar azul?
A iluminação, os displays e os eletrônicos modernos foram completamente transformados por diodos-emissores de luz (LEDs), que proporcionam eficiência energética, vida útil prolongada e versatilidade que as lâmpadas incandescentes ou fluorescentes convencionais não conseguem igualar. A luz azul emergiu como uma das cores mais comuns produzidas pelos LEDs e alimenta tudo, desde faróis de LED até telas de smartphones e até mesmo equipamentos médicos. No entanto, o que especificamente desencadeia a luz azul emitida por um LED? Os materiais utilizados em sua fabricação, as decisões técnicas deliberadas e a física básica da operação do LED são a chave para a solução. Para compreender esse fenômeno, devemos primeiro dissecar o processo de geração de luz dos LEDs e depois observar os elementos específicos que fazem com que sua saída se incline em direção à porção azul do espectro eletromagnético.
Fundamentalmente, os LEDs são dispositivos semicondutores que utilizam um processo conhecido como eletroluminescência para gerar luz. Os LEDs produzem luz quando elétrons e "buracos" (portadores de carga positiva) se recombinam dentro de um material semicondutor, ao contrário das lâmpadas incandescentes, que produzem luz aquecendo um filamento-um processo desperdiçador que perde a maior parte da energia na forma de calor. É assim que funciona: elétrons do semicondutor "tipo n-" carregado negativamente cruzam uma junção para o semicondutor "tipo p-" carregado positivamente quando uma corrente elétrica é fornecida ao LED. Esses elétrons liberam energia na forma de fótons, ou partículas de luz, à medida que atingem e preenchem as lacunas no material do tipo p-. A energia do gap do semicondutor determina o matiz dessa luz; quanto maior o gap (o diferencial de energia entre a banda de valência do semicondutor, que contém buracos, e a banda de condução, que contém elétrons), menor será o comprimento de onda da luz que é liberada. Os LEDs que criam luz azul precisam de semicondutores com um intervalo de banda relativamente amplo porque a luz azul tem um comprimento de onda curto (450–495 nanômetros). O fator primário e mais importante que influencia a emissão de luz azul é este atributo material.
A criação de semicondutores baseados em nitreto de gálio (GaN) e ligas relacionadas, incluindo nitreto de índio e gálio (InGaN), foi o maior avanço na tecnologia LED azul, que foi reconhecida com o Prêmio Nobel de Física de 2014. Como os materiais semicondutores típicos (como o arsenieto de gálio, que é usado para LEDs vermelhos e verdes) têm um intervalo de banda muito pequeno para produzir luz azul de{2}comprimento de onda curto, os cientistas tiveram dificuldade em desenvolverLEDs azuisantes da década de 1990. Por outro lado, o GaN tem uma banda larga de aproximadamente 3,4 elétron-volts (eV), que é exatamente a energia necessária para emitir luz ultravioleta (UV). Os engenheiros podem reduzir o intervalo de bandas incorporando pequenas quantidades de índio no GaN para criar o InGaN. Isso muda a luz de saída de ultravioleta para azul, diminuindo a energia do gap. Por exemplo, a luz com comprimento de onda de cerca de 450 nm é emitida por um semicondutor InGaN com um intervalo de banda de cerca de 2,7 eV, tornando-o ideal para iluminação azul brilhante. Como o InGaN pode ser ligado para ajustar o intervalo de banda, ele se tornou o material padrão para LEDs azuis. Os LEDs azuis (e os LEDs brancos que dependem deles) não seriam possíveis sem semicondutores baseados em GaN.
A estrutura do poço quântico do LED é outro componente crucial que permite a produção de luz azul. Uma fina camada de semicondutor (geralmente InGaN) posicionada entre duas camadas mais espessas de outro semicondutor (geralmente o próprio GaN) é chamada de poço quântico. Os elétrons e buracos dentro da camada InGaN são restritos, ou "presos", de uma forma que altera seus níveis de energia porque a camada é muito fina,-normalmente com apenas alguns nanômetros de espessura. A eficiência do LED é aumentada por este confinamento, o que aumenta a probabilidade de elétrons e lacunas se recombinarem e produzirem fótons. A espessura e a composição do poço quântico são cuidadosamente reguladas para LEDs azuis; um poço mais estreito ou uma concentração maior de índio pode-ajustar o comprimento de onda da emissão para a faixa azul necessária. Por exemplo, a luz pode mudar para 470 nm de um poço quântico InGaN de 3-nanômetros-de espessura com 20% de conteúdo de índio e 460 nm de um poço de 5-nanômetros com 15% de índio. Os LED azuis são suficientemente brilhantes para aplicações práticas, como holofotes LED de alta potência e luzes indicadoras em eletrônicos, graças à capacidade dos poços quânticos de diminuir a recombinação não radiativa, que é a perda de energia na forma de calor em vez de luz.
A luz azul também pode ser um resultado inesperado dos LEDs, principalmente dos LEDs brancos, embora muitos LEDs sejam feitos especificamente para criá-la. A maioria dos LEDs brancos emprega uma técnica de "conversão de fósforo", na qual um chip de LED azul é revestido com um material de fósforo amarelo (normalmente granada de ítrio-alumínio dopada com cério-, ou YAG:Ce), uma vez que a luz branca não pode ser produzida diretamente por um único semicondutor (uma vez que requer uma mistura de comprimentos de onda em todo o espectro visível). Uma parte da luz azul do LED é absorvida e reemitida como luz amarela quando atinge o fósforo. Para a visão humana, a luz azul restante aparece como luz branca porque se mistura com a luz amarela. Porém, nem toda a luz azul é transformada se o revestimento de fósforo for irregular, excessivamente fino ou de baixa qualidade. Isso pode produzir um brilho "branco frio" ou "tom azul-", que é típico de produtos baratosLâmpadas LEDou luminárias antigas com fósforo que se deterioraram com o tempo. Como a luz azul afeta a geração de melatonina, o excesso de luz azul dos LEDs brancos pode ocasionalmente induzir cansaço visual ou interferir nos ritmos circadianos. Isto enfatiza a importância do design apropriado do fósforo. Esta luz azul inesperada é causada pela má integração do fósforo e não por um defeito na funcionalidade fundamental do LED.
Embora não "façam" com que o LED crie luz azul, as condições ambientais também podem afetar a intensidade ou como um LED parece emitir luz azul. A lacuna de banda do semicondutor pode aumentar significativamente quando os LEDs aquecem (um problema comum em aplicações de alta-potência), movendo o comprimento de onda de emissão em direção à extremidade vermelha do espectro. Este é um exemplo de como a temperatura afeta o desempenho do LED. Isso pode resultar em uma pequena mudança no comprimento de onda paraLEDs azuisde 450 nm a 455 nm, que é quase imperceptível a olho nu, mas quantificável com instrumentos. Por outro lado, alguns LEDs de alto-desempenho (como os encontrados em projetores) possuem sistemas de resfriamento, pois operá-los em temperaturas mais baixas pode melhorar sua eficiência e a emissão de luz azul. A densidade atual é outra consideração. Embora o brilho de um LED azul possa ser aumentado aumentando sua corrente elétrica, uma corrente excessiva pode resultar em “queda de eficiência” ou em uma diminuição na saída de luz por unidade de corrente. Corrente excessiva em situações extremas pode danificar a estrutura do poço quântico, resultando em falha total ou em uma mudança permanente de cor que inclui emissão aprimorada de luz azul. Embora estas condições externas possam alterar o desempenho de um LED ao longo do tempo, elas não alteram a capacidade intrínseca do LED de criar luz azul.
Concluindo, as três principais causas da emissão de luz azul dos LEDs são a energia do gap do material semicondutor, a aplicação de ligas à base de GaN-(como InGaN) que permitem luz de comprimento de onda curto-e a estrutura do poço quântico que melhora a eficiência e ajusta o comprimento de onda da emissão. Embora a luz azul indesejada (como em certos LEDs brancos) resulte de problemas relacionados ao-fósforo, os LEDs azuis projetados intencionalmente usam princípios semelhantes para fornecer luz azul brilhante e eficiente para aplicações específicas. Embora possam ter impacto no desempenho, as condições ambientais como temperatura e corrente não alteram o mecanismo fundamental de emissão de luz azul. Conhecer estas razões não só esclarece a existência deLEDs azuismas também chama a atenção para os avanços de engenharia que os possibilitaram, avanços que ainda impulsionam a iluminação, os displays e a energia renovável. Os pesquisadores estão pesquisando novos materiais (como nitreto de gálio e alumínio para luz azul ou UV mais profunda) e projetos para aumentar a eficiência deLEDs azuisà medida que a tecnologia LED avança. Isso pode levar a novas aplicações em terapia médica, purificação de água e monitores de-próxima geração.
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