Investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State), junto con colegas de la Universidad de Minnesota y otras dos Universidades japonesas, han conseguido encontrar un nuevo material que puede mejorar de forma significativa el rendimiento de la tecnología LED UltraVioleta (UV).  Se trata del Niobato de Estroncio (SrNbO3), un conductor transparente UV alternativo que muestra un excelente rendimiento tanto en el régimen visible como en el rango UV de 260 a 320 nm. 

Comúnmente se utilizan dos métodos para sanear y desinfectar área de bacterias y virus, por un lado mediante una exposición a químicos o en segundo lugar mediante el empleo de radiación ultravioleta. La radiación UV, en particular la UV que está el rango del espectro electromagnético entre los 200 a los 300 nm, es una tecnología ya ampliamente probada que es capaz de destruir virus. La actual pandemia a disparado el interés por esta vieja tecnología, pero para que sea efectiva se necesitan fuentes de radiación que emitan las dosis suficientemente altas de luz UV. Aunque actualmente existentes dispositivos capaces de satisfacer estas demandas, la fuente de radiación suele ser una costosa lámpara de descarga que contiene mercurio, requieren de grandes potencias, son voluminosos y tienen una vida útil relativamente corta. 

La solución estaría en el desarrollo de LEDs de luz UV de alto rendimiento, que serían mucho más portátiles, duraderos, eficientes en el uso de la energía y más respetuosos con el medio ambiente. Sin embargo, el desarrollo de esta tecnología LED UV-C, todavía requiere superar varias limitaciones para aprovechar todo su potencial. 

En contraste con las altas eficiencias cuánticas externas (EQE), de entre el 45% al 96%, de los LEDs convencionales que emiten el espectro visible (400-700nm), los LEDs que emiten en el rango de la radiación UV-C (100-280 nm) que es la utilizada para la desinfección de virus y bacterias, tiene una EQE significativamente más baja de entorno al 1%, atribuido a varias causas como por ejemplo las altas densidades de defecto en la banda ancha del semiconductor en sus regiones activas o la pobre inyección de agujero. Otro obstáculo para lograr una mayor eficiencia es la falta de un material de electrodo transparente con una alta conductividad térmica y una gran transparencia óptica en la gama del UV más profunda que tenga un rendimiento similar a la de los conductores transparentes en la región visible.

“Hay que asegurar una dosis suficiente de luz UV para matar los virus. Esto significa que necesitas un LED UV de alto rendimiento que emita una alta intensidad de luz UV, que actualmente está limitadas por el material del electrodo transparente que se utiliza”, explica Roman Engel-Herbert, profesor asociado de ciencia de los materiales, física y química de Penn State.

El óxido de indio y estaño (ITO), es el electrodo transparente más utilizado, tiene su eje fuerte de absorción cerca de los 360 nm que lo hace inadecuado como electrodo transparente para el rango UV. Asimismo, los conductores transparentes visibles propuestos actualmente, carecen de una alta transmitancia en la región profunda del UV. 

“Actualmente no hay una buena solución para conseguir un electrodo transparente a la luz ultravioleta. El material que normalmente se utilizan para aplicaciones de luz visible se utiliza a pesar de que es demasiado absorbente en el rango UV. Simplemente no hay una buena elección de material para un material conductor transparente a la luz UV que haya sido identificado», comenta Joseph Roth, candidato a doctorado en Ciencia de Materiales e Ingeniería en Penn State.

Como vemos, encontrar un nuevo material con la composición adecuada es clave para avanzar en el rendimiento de los LED UV. El equipo de Penn State, en colaboración con teóricos de materiales de la Universidad de Minnesota, identificó desde un principio que la posible solución podría encontrarse en una nueva clase de conductores transparentes recientemente descubierto, el  Niobato de Estroncio SrNbO3. Una vez que las predicciones teóricas señalaban a este como el material más adecuado, los investigadores se pusieron en contacto con sus colaboradores japoneses para obtener películas de niobato de estroncio para probar de forma inmediata su rendimiento. Si bien estas películas mantenían la promesa de las predicciones teóricas, los investigadores necesitaban un método de deposición para integrar estas películas de manera escalable.

«Inmediatamente tratamos de hacer crecer estas capas usando la técnica estándar de crecimiento de películas ampliamente adoptada en la industria, llamada sputtering», dijo Roth. «Tuvimos éxito».

Este es un paso crítico hacia la maduración de la tecnología que permite integrar este nuevo material en los LEDs UV a bajo costo y en gran cantidad. Y tanto Engel-Herbert como Roth creen que esto puede ser fundamental durante la actual crisis provocada por la COVID-19. 

«Mientras que nuestra primera motivación para desarrollar conductores transparentes UV fue construir una solución económica para la desinfección del agua, ahora nos damos cuenta de que este descubrimiento revolucionario ofrece potencialmente una solución para desactivar COVID-19 en aerosoles que podrían ser distribuidos en los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado de los edificios. Otras áreas de aplicación para la desinfección de virus son las zonas densamente y frecuentemente pobladas, como teatros, estadios deportivos y vehículos de transporte público como autobuses, metro y aviones”, concluye Roth

La investigación ha sido publicada recientemente en la prestigiosa revista científica NATURE, y es de acceso abierto.