En la actualidad encontrar materiales para el desarrollo de luminarias y lámparas LED que emitan luz blanca parecida a la luz natural es todo un reto, sobre todo si pretende conseguirlo sin el uso de tierras raras. Un grupo de investigación de España y Eslovaquia han alcanzado un importante progreso en el ámbito de los materiales luminiscentes, con miras a su uso en tecnología LED.

Los investigadores diseñaron y fabricaron un vidrio de borosilicato dopado con bismuto (Bi) y vanadio (V) capaz de emitir luz blanca formada por un amplio espectro de todos los colores. Estos vidrios, transparentes y de bajo coste, tienen un potencial prometedor para su aplicación en futuros diodos emisores de luz (LED) blancos de buena eficiencia y bajo consumo de energía.

LED Blancos a partir de vidrios de borosilicato

La mayoría de los LED de luz blanca disponibles en el mercado requieren la combinación de materiales para conseguir varios colores que al juntarse dan luz blanca, y esto puede afectar a su estabilidad y eficiencia. Además, algunos de estos materiales utilizados actualmente presentan aspectos económicos y de sostenibilidad preocupantes al utilizar tierras raras y otros materiales. 

En este contexto, los vidrios de borosilicato dopados con bismuto y vanadio presentan una alternativa prometedora, nunca explorada para emisión de luz blanca. Estos vidrios capaces de emitir luz son materiales inorgánicos que se caracterizan por su facilidad de preparación y su capacidad para fabricarse en películas finas compatibles con los métodos de producción industrial. Además, ofrecen una buena conductividad eléctrica y buenas propiedades mecánicas.

Para obtener estos vidrios de borosilicato, los investigadores utilizaron un proceso de fusión a temperatura relativamente baja, un método que también se puede utilizar para su producción a gran escala. La adición a los vidrios fabricados de iones de bismuto y vanadio, (elementos abundantes y poco costosos) permitió obtener emisiones de amplio espectro, cubriendo todo el rango de luz visible. 

Los iones de bismuto añadidos se han encontrado principalmente en forma de Bi3+, actuando como modificadores de las propiedades del material que reducen la temperatura de transición vítrea (temperatura a la que un solido amorfo pasa de un estado duro a un estado blando) a medida que aumenta su contenido.

La fotoluminiscencia de los iones de bismuto se desplazó hacia longitudes de onda más largas a medida que aumentaba su contenido en los vidrios, lo cual se asoció a la estabilización del Bi2+ y la presencia de Bi3+ en diferentes entornos locales. Combinados con los iones de vanadio, los vidrios mostraron una emisión de luz que cubría todo el espectro visible, lo que los convierte en una opción prometedora para aplicaciones de LED blancos. Además, estos vidrios permitieron lograr temperaturas de color correlacionadas entre 6135 y 4010 K, ofreciendo una iluminación de calidad.

El desarrollo de estos vidrios sin tierras raras abre nuevas posibilidades en la fabricación de LED blancos de bajo consumo y  buena eficiencia. Además, su producción a gran escala y su bajo coste los convierten en una opción atractiva para la iluminación general. Los investigadores llevaron a cabo un estudio exhaustivo de las propiedades térmicas, estructurales, composicionales y ópticas de estos vidrios, utilizando diversas técnicas de análisis.

Este es un trabajo de investigación en colaboración entre el grupo de Procesado por Láser del IO-CSIC, el Centro de Vidrio Funcional y Funcionalizado de Superficie (FunGlass) de Eslovaquia, el Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas (CENIM-CSIC), y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros (ICTP-CSIC). 

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

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884224000981?via%3Dihub

Imagen de portada: Representación de un video del estudio. Créditos: IO-CSIC