Científicos del Instituto Tecnológico de Tokio han descubierto un nuevo haluro de cobre alcalino, Cs5Cu3Cl6I2, que emite luz azul pura. La combinación de los dos iones de haluro, cloruro y yoduro, da al material una estructura cristalina hecha de cadenas en zigzag, resultado en una fotoluminiscencia altamente eficiente. El novedoso compuesto podría utilizarse para producir LEDs blancos relativamente baratos y ecológicos, llevando a la tecnología LED a un nuevo nivel de eficiencia y sostenibilidad.
En la última década, los avances tecnológicos en la iluminación de estado sólido, el subcampo de la investigación de semiconductores que se ocupa de los compuestos emisores de luz, ha llevado al uso generalizado de los LED blancos. Sin embargo, la mayoría de estos LEDs son en realidad un chip LED azul (InGaN) recubiertos de fósforos amarillos para producir la luz blanca. Este recubrimiento fosfórico requiere un dopaje de elementos de tierras raras. Debido a la limitación de los recursos, el alto coste de los metales de las tierras raras, y la fuerte demanda de fuentes de luz de superficie, se han desarrollado intensamente materiales alternativos emisores de luz, incluyendo emisores de complejos orgánicos y organometálicos, puntos cuánticos, y material híbrido de haluro perovskita. No obstante, estos materiales tienen varios inconvenientes, como la escasa estabilidad, la toxicidad y/o la baja eficiencia cuántica, lo que limita sus posibles aplicaciones. Por lo tanto, se demandan materiales luminiscentes altamente eficientes, fácilmente procesables y estables basados en elementos ecológicos y abundantes en la tierra.
En un estudio reciente, publicado en “Advanced Materials”, un equipo de científicos del Instituto de Tecnología de Tokio, Japón, descubrió un nuevo haluro de cobre alcalino, Cs5Cu3Cl6I2, que cumple con todos los criterios. A diferencia del Cs3Cu2I5, otro candidato prometedor que emite azul para futuros dispositivos, el compuesto propuesto tiene dos haluros diferentes, el cloruro y el yoduro. Aunque los materiales de haluros mixtos han sido probados antes, el Cs5Cu3Cl6I2 tiene propiedades únicas que emergen específicamente del uso de iones I- y Cl-.
Resulta que el Cs5Cu3Cl6I2 forma una cadena unidimensional en zigzag a partir de dos subunidades diferentes, y los eslabones de la cadena están exclusivamente unidos por iones I-. Los científicos también encontraron otra característica importante: su banda de valencia, la cual describe los niveles de energía de los electrones en diferentes posiciones de la estructura cristalina del material, es casi plana ( de energía constante). A su vez, esta característica hace que los agujeros fotogenerados (pseudopartículas con carga positiva que representan la ausencia de un electrón fotoexcitado) sean más “pesados”. Estos agujeros tienden a inmovilizarse debido a su fuerte interacción con iones I-, y se unen fácilmente con electrones libres cercanos para formar un pequeño sistema conocido como excitón. Los excitones inducen distorsiones en la estructura cristalina. Al igual que el hecho de uno tenga problemas para moverse por una gran red suspendida que se deforma por su propio peso, los excitones quedan atrapados en el sitio por su propio efecto. Esto es crucial para la generación de luz azul altamente eficiente.
“Los excitones auto-atrapados son formas localizadas de energía ópticamente excitada; la eventual recombinación de su par electrón-hueco causa fotoluminiscencia, la emisión de luz azul en este caso”, explica el profesor Junghwan Kim, quien dirigió el estudio.
Además de su eficiencia, el Cs5Cu3Cl6I2 tiene otras propiedades realmente atractivas. Está compuesto exclusivamente por materiales abundantes, lo que hace que sea un compuesto relativamente barato. Además, es mucho más estable en el aire que el Cs3Cu2I5 y otros compuestos alcalinos de haluro de cobre. Los científicos descubrieron que el rendimiento del Cs5Cu3Cl6I2 no se degradaba cuando se almacenaba en el aire durante tres meses, mientras que compuestos similares que emiten luz se comportaban peor después de sólo unos días. Finalmente, el Cs5Cu3Cl6I2 no requiere plomo, un elemento altamente tóxico, lo que lo hace ecológico en general.
“Nuestros hallazgos proporcionan una nueva perspectiva para el desarrollo de nuevos candidatos a haluro de cobre alcalino y demuestran que el Cs5Cu3Cl6I2 podría ser un material prometedor de emisión azul, y permita el desarrollo de una tecnología de iluminación más eficiente y ecológica”, concluye el profesor Kim.
Créditos de imagen: Tokyo Institute of Technology.
