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Investigação
Artigo de grande impacto publicado na Scientific Reports do grupo Nature
Físicos da UA conseguem emissão de luz branca em estruturas de LED azuis comerciais
Equipa de investigação em LED da UA assina mais uma publicação de grande impacto
Investigadores da Universidade de Aveiro (UA) demonstraram, em parceria com equipas do Instituto Superior Técnico, da Polónia e da Escócia, a emissão de luz branca nas chamadas estruturas quânticas de Nitreto de Gálio e Índio/Nitreto de Gálio (InGaN/GaN). Estas estruturas são usadas para produzir os LED azuis existentes no mercado. O artigo que descreve a descoberta foi publicado numa revista de grande impacto, a Scientific Reports, periódico pertencente ao grupo Nature.

Os estudos de fotoluminescência dos autores do artigo recentemente publicado (http://www.nature.com/articles/srep13739), mostram que a estrutura quântica monolítica de InGaN/GaN emite simultaneamente nas regiões espetrais do amarelo e do azul. A combinação destas duas emissões é percecionada como luz branca pelos olhos humanos.

Os díodos emissores de luz (LED) branca mais comuns no mercado, correspondem a sistemas complexos nos quais parte da emissão azul de um LED de InGaN/GaN, obtida por injeção elétrica, incide num material fluorescente (YAG:Ce). Este absorve a luz azul e emite no amarelo. A combinação de ambas as emissões, azul e amarela, é então percecionada como luz branca. No entanto, esta tecnologia, explicam os investigadores da UA, apresenta uma eficiência ainda baixa, dado combinar diferentes sistemas de materiais e conduzir a perdas elevadas por aquecimento.

A investigação desenvolvida nesta área tem evoluído com vista à substituição destes sistemas complexos por outros mais simples, baseados numa única estrutura. Entre os potenciais candidatos encontram-se as atuais estruturas de LED azuis, baseados em InGaN/GaN, cuja tecnologia está bem desenvolvida, propõem os autores do artigo e investigadores da UA: “O maior desafio reside no controlo e alteração das propriedades emissoras da estrutura monolítica de InGaN/GaN para que a injeção elétrica conduza a emissões, simultâneas, de luz azul e amarela com eficiência elevada.”

O trabalho publicado online a 4 de setembro na Scientific Reports - Ben Sedrine, N. et al. Photoluminescence studies of a perceived white light emission from a monolithic InGaN/GaN quantum well structureSci. Rep. 5, 13739; doi: 10.1038/srep13739 (2015) - constitui um primeiro contributo, “uma prova de conceito”, assinalam os cientistas da UA, tendo sido monitorizadas, sob excitação com luz ultravioleta, as características de emissão branca percecionada nas estruturas monolíticas de InGaN/GaN.

Interesse internacional pela emissão branca nestas estruturas

A publicação, praticamente em simultâneo com o artigo da Scientific Reports, do trabalho de um grupo de investigadores americanos da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, entre os quais se encontra S. Nakamura (um dos laureados do prémio Nobel da Física em 2014) - S. J. Kowsz, C. D. Pynn, S. H. Oh, R. M. Farrell, J. S. Speck, S. P. DenBaars and S. Nakamura, Appl. Phys. Lett., 107, 101104 (2015) (publicado online a 10 de Setembro) -, “revela bem o interesse internacional na produção de luz branca baseada nas estruturas monolíticas de InGaN/GaN”, afirma a equipa do Departamento de Física (DFis) da UA e do Instituto de Nanoestruturas, Nanomodelação e Nanofabricação (I3N).

As tecnologias baseadas na designada “iluminação de estado sólido” são particularmente relevantes para o desenvolvimento sustentável, enquanto soluções viáveis de impacto elevado para alguns dos desafios globais e da sociedade a que urge dar resposta como seja a poupança de energia e de matérias-primas e a melhoria da qualidade de vida em comunidades rurais isoladas.

Comparativamente às lâmpadas tradicionais (de filamento e fluorescência), as lâmpadas de LED emitem luz branca de brilho elevado, possuem longos tempos de vida e são energeticamente bem mais eficientes. Os valores mais recentes traduzem-se na obtenção de 300 lm/W face aos 16 lm/W das lâmpadas de filamento e ~70 lm/W nas fluorescentes. Ou seja para a mesma luz emitida os LED gastam cerca de 20 vezes menos energia que as lâmpadas de filamento.

Simulação da luz natural com maior eficiência e economia

Assim, a iluminação por LED pode contribuir para uma melhoria significativa da qualidade de vida para cerca de 1,5 mil milhões de pessoas no planeta que não têm acesso à rede elétrica, salientam os autores afiliados à UA. A sua baixa potência permite associá-las com sistemas locais de células solares de baixo custo. Para além disso, possuem tempos de vida de cerca de 100 000 horas, comparadas com as 10 000 horas das lâmpadas fluorescentes e as 1000 horas das lâmpadas de filamento.

Sublinhando que os resultados agora publicados na Scientific Reports se enquadram no trabalho de investigação fundamental que o grupo realiza há longa data, os investigadores confiam que, a este ritmo e num futuro próximo, ocorram vários avanços na produção de LED de luz branca baseados em estruturas monolíticas de InGaN/GaN. A evolução da situação para a produção comercial de larga escala depende da reprodutibilidade da emissão sob injeção elétrica e da eficiência do dispositivo final, quando comparados com os dispositivos atualmente no mercado.

O trabalho agora publicado na Scientific Reports foi realizado por Nadine Ben Sedrine, Teresa Esteves, Joana Rodrigues, Luís Rino, Maria do Rosário Correia, Armando Neves  e Teresa Monteiro, todos eles do DFis e do I3N, M.C. Sequeira, E. Alves e K. Lorenz, investigadores do IPFN, Instituto Superior Técnico, M. Bockowski, do Institute of High Pressure Physics, Polish Academy of Sciences, Polónia, e ainda P. R. Edwards e K. P. O’Donnell, investigadores do SUPA Department of Physics, University of Strathclyde, Escócia.

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