Un estudio hace posible el desarrollo futuro de ledes de luz ultravioleta

Científicos de la Universidad de Campinas, en Brasil, investigaron las propiedades electrónicas y ópticas del nitruro de boro, un material que se utiliza como aislante eléctrico. Una de las aplicaciones posibles consiste en la fabricación de dispositivos de alta eficiencia para esterilizar ambientes, superficies o incluso agua

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Como aislante eléctrico resistente a altas temperaturas, el nitruro de boro es un material con numerosas aplicaciones comerciales. Y nuevas funcionalidades podrían aún explorarse, entre ellas la producción de diodos emisores de luz (ledes) ultravioleta del tipo C (UVC).

Este tipo de luz resulta sumamente útil para esterilizar ambientes, superficies o incluso el agua, pues daña el ADN de los microorganismos, inactivándolos. En la actualidad, las lámparas fluorescentes se emplean como fuentes de UVC, pero los ledes pueden tener una eficiencia mucho mayor, análogamente a lo que sucede con su uso como lámparas en la iluminación doméstica.

Un estudio cuyo objetivo consistió en comprender y controlar mejor las propiedades electrónicas y ópticas del nitruro de boro, con miras al desarrollo de estas nuevas aplicaciones, tuvo lugar en el Laboratorio de Investigaciones Fotovoltaicas del Departamento de Física Aplicada del Instituto de Física Gleb Wataghin, ligado a la Universidad de Campinas (IFGW-Unicamp), en el estado de São Paulo, Brasil. Y un artículo al respecto salió publicado en la revista 2D Materials.

Dicha investigación, coordinada por el profesor Luiz Fernando Zagonel, tuvo como protagonista al estudiante de doctorado Ricardo Javier Peña Román, dirigido de Zagonel y becario de la FAPESP.

El referido estudio es fruto de la colaboración con grupos de investigación del Reino Unido y de Francia. Y además de la beca otorgada al doctorando, contó con financiación de la FAPESP mediante la línea de “Apoyo a Jóvenes Investigadores” y el “Programa de Equipos Multiusuarios”. Este último hizo posible la adquisición del principal aparato utilizado: un microscopio de barrido de efecto túnel.

“Dicho de manera bastante resumida, lo que hicimos fue medir el bandgap electrónico de una monocapa de nitruro de boro hexagonal [h-BN]”, le comenta Zagonel a Agência FAPESP.

Para entender qué significa esto, se hacen necesarias algunas explicaciones. “El bandgap electrónico” es la cantidad de energía necesaria para promover a un electrón de la banda de valencia del material a la banda de conducción. La banda de valencia, ubicada más cerca de los núcleos atómicos, constituye el conjunto de configuraciones electrónicas en las cuales se sitúa la vasta mayoría de los electrones de lo sólido. En tanto, la banda de conducción, localizada en la zona exterior del material, es un conjunto de configuraciones electrónicas en las cuales existen muchos estados disponibles para que los electrones los ocupen, pero en donde hay pocos electrones y, en ciertas condiciones, ninguno.

“El bandgap electrónico también puede interpretarse como un ‘hiato’ en la distribución electrónica del material, en el cual no puede haber ningún electrón. Por eso también se lo denomina ‘banda prohibida’, pues corresponde a un rango de energía que ningún electrón en el material puede tener”, añade Zagonel.

La principal ventaja del nitruro de boro en términos de aplicación deriva del hecho de que posee un bandgap electrónico muy grande. Cabe acotar que, para ascender al electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, es necesario inyectarle mucha energía al material. Cuando el electrón regresa a la banda de valencia, que constituye una configuración más estable, la mayor parte de esa energía vuelve al medio bajo la forma de radiación electromagnética de alta frecuencia, como en el caso de la luz ultravioleta C.

“Determinamos el valor del gap electrónico, que es de 6,8 electronvoltios [eV]. La energía que emite el material bajo la forma de radiación electromagnética es de 6,1 eV. La diferencia, de 0,7 eV, corresponde a la energía de enlace de un excitón, cuyo cálculo constituye otro de los resultados importantes de nuestro estudio”, informa Zagonel.

Los excitones están constituidos por pares formados por electrones de la banda de conducción y huecos existentes en la banda de valencia, usualmente denominados “agujeros”. Estos agujeros –es decir, las ausencias de electrones– y los electrones se atraen mutuamente y se enlazan, formando pares de entidades que orbitan una a la otra. Esta unión posee una energía asociada llamada “energía de enlace de un excitón”, cuya magnitud indica la estabilidad del par electrón-hueco, es decir, por cuánto tempo se espera que este sea estable a una determinada temperatura.

“Cuando un excitón se recombina –es decir, cuando el electrón migra hacia el estado del hueco y lo rellena–, esta recombinación puede ocasionar la emisión de luz, con un nivel de energía que corresponde a la energía del bandgap electrónico menos la energía de enlace del excitón”, explica Zagonel.

A temperatura ambiente, los sólidos están sujetos a vibraciones térmicas asociadas a la temperatura que pueden desestabilizar a los excitones de baja energía de enlace, deshaciendo la unión entre electrones y huecos. Si el enlace se deshace muy fácilmente, la emisión excitónica se vuelve improbable y el material se comporta como un emisor de luz poco eficiente. Para que el material sea útil en aplicaciones tecnológicas que puedan incorporarse a la vida cotidiana, es necesario que la energía de enlace de los excitones sea alta con relación a la energía de las vibraciones asociadas a la temperatura ambiente.

“Lo deseable es que la mayoría de los electrones situados en la banda de conducción se recombinen con huecos y emitan luz en forma excitónica incluso a temperatura ambiente. Y esta alta eficiencia en el proceso de emisión de luz aun a temperatura ambiente es lo que verificamos en el caso del nitruro de boro”, reporta Zagonel.

Defectos puntuales

Aparte de medir la energía asociada al bandgap electrónico y la energía de enlace de los excitones, los científicos investigaron también defectos puntuales en el material. Estos defectos están constituidos básicamente por áreas en las cuales los átomos del nitruro de boro son reemplazados por núcleos atómicos de carbono (C).

“Con nuestro microscopio electrónico de efecto túnel [STM], aplicando diversas técnicas experimentales, fue posible registrar imágenes de defectos puntuales, determinar sus niveles de energía y observar la luz que emiten. Obtuvimos imágenes que permiten analizar aspectos generales de la morfología de la superficie, observando regiones distintas, con o sin la presencia de defectos puntuales. En ambos casos se efectuaron mediciones de la densidad de estados electrónicos locales mediante espectroscopía de efectos de electrones [STS]. Los resultados obtenidos hicieron posible la determinación de la magnitud del bandgap electrónico en monocapas de nitruro de boro, una cuestión hasta ese momento abierta en la literatura”, comenta Zagonel.

Por añadidura, el sistema de detección instalado en el microscopio permitió el estudio de la emisión de luz asociada a los defectos puntuales. Se realizaron mediciones de fotoluminiscencia (PL) y catodoluminiscencia (CL), y se observó una línea de emisión distinta en el nivel de 2,1 eV, asociada de manera característica en átomos de carbono. “Cabe remarcar que esta fue la primera caracterización por CL en monocapas de nitruro de boro reportada en la literatura. La presencia de otras emisiones en energías mayores indica la coexistencia de más de un tipo de defecto de carbono en el material”, puntualiza Zagonel.

El microscopio electrónico de efecto túnel utilizado por los investigadores es operado en un ambiente de ultraalto vacío (UHV) a temperaturas criogénicas de até 12 kélvines (K), y cuenta con un sistema innovador de detección de luz desarrollado e implementado por el propio equipo y ya protegido por patente.

“Los resultados obtenidos demuestran la versatilidad del nuestro setup, que se presenta como una poderosa herramienta para la caracterización de materiales bidimensionales y superficies. La continuidad de las investigaciones se enfocará en materiales de interés para el desarrollo de aplicaciones en dispositivos”, culmina Zagonel.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Band gap measurements of monolayer h-BN and insights into carbon-related point defects en el siguiente enlace: iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/ac0d9c.