Un equipo de nano investigación de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) ha logrado crear LEDs a partir de un nanomaterial que emite luz violeta. Se trata de la primera vez que se crea luz ultravioleta en una superficie de grafeno.

“Hemos creado un nuevo componente electrónico que tiene el potencial de convertirse en un producto comercial. No es tóxico y podría ser mucho más barato, más estable y duradero que las lámparas UVC actuales. Si tenemos éxito en hacer estos diodos más eficientes y baratos es fácil imaginar su gran potencial” explica Ida Marie Hoiass participante de la investigación.

Luz UV, peligroso pero de gran utilidad

Aunque es importante protegernos de la exposición excesiva a la radiación UV del sol, la luz ultravioleta también tiene propiedades muy útiles. Esto se aplica especialmente para la luz UV con longitudes de onda cortas de entre los 100 y 280 nm, llamada luz UVC, que es realmente útil por su capacidad de destruir bacterias y virus.

Afortunadamente, los peligrosos rayos UVC del sol quedan atrapados por la capa de ozono y el oxígeno y no llegan a la tierra. Pero es posible crear luz UVC, que se puede usar para limpiar superficies y equipos hospitalarios, o para purificar el agua y el aire. El problema hoy en día es que muchas lámparas UVC contienen mercurio. El Convenio de Minamata de la ONU, que entró en vigencia en 2017, establece medidas para eliminar la minería de mercurio y reducir su uso. La convención fue denominado por el pueblo de pesqueros japonés donde la población fue envenenada por las emisiones de mercurio de una fábrica en la decada de 1950.

Construyendo sobre grafeno

Las increibles propiedades del grafeno han impresionado e intrigado a los científicos durante las últimas décadas. Su transparencia a la luz en todas las longitudes de onda combinada con una baja resistencia de la lámina lo convierte en un material realmente prometedor para la nueva optoelectrónica. Hasta ahora, nadie ha utilizado el grafeno como el sustrato y el electrodo transparente de un dispositivo optoelectrónico funcional. En esta nueva investigación han conseguido usar el grafeno de doble capa como sustrato de crecimiento y electrodo conductor transparente para un LED ultravioleta en configuración flip chip.

Una capa de grafeno colocada sobre vidrio forma el sustrato del nuevo diodo que es capaz de generar luz UV. Los investigadores han tenido éxito en el desarrollo de nanocables de nitruro de galio y aluminio (AlGaN) en la red de grafeno. Todo el proceso tiene lugar en una cámara de vacío de alta temperatura donde los átomos de aluminio y galio se depositan o crecen directamente sobre el sustrato de grafeno, con alta precisión y en presencia de plasma de nitrógeno.

Este proceso se conoce como epitaxia de haz molecular (MBE) y se lleva a cabo en Japón, donde el equipo de investigación de NTNU colabora con la profesora Katsumi Kishino en la Universidad de Sofía en Tokio.

Después de cultivar la muestra, se transporta al NanoLab de la NTNU, donde los investigadores hacen contactos de metal de oro y níquel en el grafeno y los nanocables. Cuando se envía energía desde el grafeno y a través de los nanocables, emiten luz UV.

El grafeno es transparente para la luz de todas las longitudes de onda, y la luz emitida por los nanocables brilla a través del grafeno y el vidrio. «Es emocionante poder combinar nanomateriales de esta manera y crear LED que funcionen», dice Høiaas.

Utilizando menos electricidad a un precio más barato

Los LED UVC que pueden reemplazar las bombillas fluorescentes ya están en el mercado, pero el objetivo de CrayoNano es crear diodos mucho más económicos y con mayor eficiencia energética.

Según los investigadores, una de las razones por las que los LED UV de hoy en día son caros es que el sustrato está hecho de nitruro de aluminio caro. El grafeno es más barato de fabricar y requiere menos material para el diodo LED.

Høiaas cree que se necesitan muchas mejoras antes de que el proceso desarrollado en NTNU pueda escalarse hasta el nivel de producción industrial. Las actualizaciones necesarias incluyen conductividad y eficiencia energética, estructuras de nanocables más avanzadas y longitudes de onda más cortas para crear luz UVC. “El objetivo sería comercializar la tecnología en algún momento de 2022”, concluye Høiaas

Imagen de portada: Una máquina de epitaxia de haz molecular (MBE) en NTNU. Foto: Idun Haugan, NTNU