En el competitivo mundo de la iluminación de estado sólido, la búsqueda de materiales más eficientes, estables y versátiles no se detiene. Si bien la tecnología LED ha transformado por completo el mercado global de la iluminación en las últimas dos décadas, los retos en eficiencia cuántica, estabilidad térmica y adaptación espectral a aplicaciones específicas —como la horticultura o la fotobiología— siguen impulsando la investigación en nuevos fósforos y materiales emisores.

Un equipo liderado por el profesor Guojun Zheng de la Universidad de Ningbo (China) ha presentado un nuevo avance: cerámicas luminiscentes transparentes dopadas con iones de cromo trivalente (Cr³⁺), fabricadas mediante un método de cristalización vítrea sin presión, que combinan eficiencia cuántica casi unitaria, alta estabilidad térmica y emisión espectral ajustada al rojo lejano (far-red). 

Los resultados de la investigación se acaban de publicar en la revista científica Journal of Advanced Ceramics, y abren la puerta a una nueva generación de convertidores fotónicos para LED de fósforo (pc-LED) y dispositivos láser de alta potencia orientados, entre otras aplicaciones, a la iluminación de cultivos y fitotecnología.

Eficiencia cuántica vs. estabilidad térmica

Las cerámicas transparentes luminiscentes se están consolidando como unas prometedoras candidatas para sustituir a los convencionales fósforos en resina de silicona, habituales en la industria LED. Estos materiales cerámicos ofrecen ventajas notables: mejor conductividad térmica, mayor estabilidad mecánica y resistencia frente al envejecimiento. Sin embargo, hasta ahora se enfrentaban a un dilema recurrente: mejorar la eficiencia luminosa solía implicar sacrificar estabilidad térmica o integridad estructural.

La investigación liderada por Zheng aborda precisamente este cuello de botella: lograr altas eficiencias cuánticas internas (IQE) sin renunciar a la robustez frente a temperaturas elevadas, condición indispensable para aplicaciones de alta potencia, donde los dispositivos superan fácilmente los 100 ºC en operación continua.

Cr³⁺ como centro luminiscente

El equipo chino se centró en los iones Cr³⁺, conocidos desde hace décadas como centros luminiscentes en materiales de granate (garnet). Estos iones, cuando ocupan posiciones octaédricas en la red cristalina, son extremadamente sensibles al campo cristalino local, lo que se traduce en una notable capacidad de ajuste espectral mediante la ingeniería de sustitución catiónica.

En otras palabras: variando los iones presentes en la estructura huésped, se puede modular el entorno cristalino del Cr³⁺ y, con ello, desplazar su emisión desde el infrarrojo cercano hasta el rojo lejano, abriendo un amplio abanico de aplicaciones. Esta propiedad, bien conocida en óptica de láseres y fósforos, ha sido explotada aquí de forma racional para diseñar un material cerámico con emisión perfectamente alineada con la absorción de los fitocromos de las plantas.

«La sustitución de iones metálicos se aplica eficazmente para regular el rendimiento de luminiscencia de la cerámica granate. Específicamente, los iones Cr3+ son altamente sensibles a las variaciones en el entorno del campo cristalino y exhiben una incorporación estable en sitios octaédricos, lo que facilita que los iones se dopen en la red de Y2CaAl4SiO12, lo que lleva a unas transiciones radiativas mejoradas. Además, la sintonizabilidad espectral de Cr3+ en la red de granate está estrechamente relacionada con el radio de los cationes sustituyentes, y una concentración de dopaje racional es esencial para lograr niveles de emisión eficientes. los iones Ba2+ poseen un radio más grande que los iones Ca2+ y muestran una alta solubilidad. Esta sustitución es favorable para aumentar la intensidad del campo cristalino de Cr3+, lo que lleva a la formación de una emisión de rojo lejano de banda estrecha», detalla Guojun Zheng, autor principal del estudio.

Rendimiento récord en cerámicas dopadas con Cr³⁺

El equipo de investigación empleó un método de cristalización de vidrio en atmósfera débilmente reductora para fabricar cerámicas de composición Y₂Ca₁₋ₓBaₓAl₄SiO₁₂ dopadas con Cr³⁺. A lo largo del estudio, se analizaron diferentes proporciones de Ba²⁺ en la matriz con el fin de evaluar su impacto en las propiedades luminiscentes y optimizar tanto el proceso de cristalización como el rendimiento óptico final.

El resultado más destacado fue la obtención de la formulación Y₂Ca₀.₃Ba₀.₇Al₄SiO₁₂:Cr³⁺, que mostró un comportamiento excepcional:

• Eficiencia cuántica interna cercana a la unidad (~97 %), un valor prácticamente inalcanzable en materiales convencionales.
• Estabilidad térmica sobresaliente, con una retención del 99 % de la intensidad de emisión a 150 °C, superando ampliamente a los habituales convertidores de fósforo en silicona.

Cuando se integró este material en dispositivos, los resultados confirmaron su enorme potencial: el pc-LED basado en cerámica alcanzó una eficiencia de pared del 27 %, mientras que el dispositivo accionado por láser logró una potencia óptica récord de 2,1 W. 

Estas cifras confirman su excelente capacidad de conversión de luz para fuentes de luz de color rojo lejano de alta potencia que tienen aplicaciones importantes en la agricultura de precisión, así como optogenética de tejidos profundos y terapia de fotobiomodulación. 

Puede acceder al paper completo de la investigación a través del siguiente enlace:

https://www.sciopen.com/article/10.26599/JAC.2025.9221158

Créditos de imagen de portada: Journal of Advanced Ceramics, Tsinghua University Press