Nanoláminas de oxinitruro de silicio preparadas por procesos laser con impurezas controladas de europio para emisores de luz blanca de banda ancha

Grupo de Procesado por Láser (LPG)

  • Las películas de oxinitruro con impurezas de europio (Eu) muestran una emisión de luz intensa y ajustable en color prometedora para el diseño de nanoemisores inteligentes. El procedimiento por el que se introducen los átomos de Eu en las nanoláminas es un proceso basado en técnicas láser que permite controlar con precisión nanométrica su distribución.

  • Los átomos de Eu están en forma de iones en estado de oxidación 2+, que es el estado menos oxidado a pesar de que las láminas en las que se ha introducido tienen oxígeno en su composición.

Madrid / 7 de marzo de 2023

Los LEDs (o ledes) son fuentes de luz muy eficientes, y robustas. Están basadas en materiales sólidos, en general no contaminantes, y se pueden fabricar en tamaños pequeños. Estas ventajas han contribuido que para que hoy en día hayan desplazado a las antiguas bombillas incandescentes y fluorescentes en casi todas las aplicaciones.
De forma sencilla los LEDs, cuya sigla en inglés significa diodo emisor de luz, están formados por materiales semiconductores que se estructuran formando un diodo de unión p-n, y que emiten luz cuando se aplica una tensión eléctrica. La corriente eléctrica que se genera en el interior del semiconductor hace que los electrones excitados se recombinan con los huecos liberando energía en forma de fotones. Este efecto se denomina electroluminiscencia y el color de la luz generada viene determinado por el ancho de la banda prohibida o “gap” del semiconductor que forma el diodo y la intensidad por la cantidad de fotones generados.

Sin embargo, la tecnología LED todavía está en desarrollo, y es difícil emitir luz blanca con ledes. Actualmente esto se consigue de dos maneras. Las mas habituales son (1) combinar la emisión de varios LEDs que emitan luz de distintos colores, o bien (2) usar un LED que emite luz ultravioleta, que por tanto son fotones de alta energía, que a su vez exciten a un material fosforescente que emita luz blanca. Estos materiales fosforescentes normalmente están formados por materiales “dopados”, esto es con impurezas de iones de lantánidos tales como el cerio, samario o el europio. Actualmente se esta investigando en diversas direcciones para simplificar este proceso de conseguir luz blanca con LEDs y conseguir emisores eficientes escalables desde nanómetros a milímetros.

En el Grupo de Procesado por Láser del Instituto de Óptica del CSIC se está investigando en la fabricación de semiconductores con espesores en escala de nanómetros (nanoláminas) y que están dopados con iones de europio para conseguir un nuevo led que emita luz blanca de forma eficiente, esto es directamente con un solo diodo y sin necesidad de usar luego un fósforo. Con esta aproximación se usaría menos material en la fabricación y además es de esperar que el proceso fuera energéticamente más favorable con lo cual el nuevo tipo de LED resultante seria mas sostenible.

Fotografía de la emisión de luz blanca de los nanoleds y debajo una g´rafica en la que se ven las diferentes intensidades a las que emite según la cantidad de pulsos que reciba

Fotografías de las nanopelículas LED emitiendo luz blanca de diferentes tonalidades y su gráfica de emisión según la cantidad de iones de europio 2+ añadidos y distribuidos nanométricamente.

Para conseguir este objetivo en este nuevo estudio, científicos y científicas del Grupo de Procesado por Láser han conseguido preparar con éxito y estudiar las propiedades de películas muy delgadas (unas decenas de nanómetros) de oxinitruro de silicio (SiAlON) activo a las que se las ha añadido un dopaje de europio (Eu) mediante la técnica de deposición de láser pulsado.

Que un material sea activo (también llamado material inteligente) significa que puede variar sus propiedades como respuesta a un estímulo que puede ser eléctrico, de luz o temperatura, de forma que se puede utilizar como sensor, por ejemplo, o por ejemplo interactuar con él para emitir señales una vez fabricado.

El avance de este nuevo LED que se ha investigado radica en que la lámina en la que se alojan los iones de europio, que es un material denominado SiAlON por los elementos que lo componen, tiene excelentes propiedades mecánicas, ópticas y químicas para la emisión blanca de estado sólido.
Normalmente en presencia del oxígeno los átomos de europio tienden a oxidarse a su estado mas oxidado que es el ion de Eu 3+ pero las matrices de SiAlON en su estructura y conservan el europio en estado Eu 2+. Esto es importante porque el ion de Eu 2+ emite una luz de banda ancha de tipo blanco. Por el contrario, el ion Eu 3+ emite una luz roja intensa y de banda muy estrecha.

Se ha encontrado que las láminas fabricadas en multicapa, es decir con los iones de Eu distribuidos en capas y separadas por nanoláminas de SiAlON de unos 10 nm, emitían más luz a medida que añadía más europio en cada capa de dopante. Además se encontró que emitían luz más roja (longitudes de onda más largas) lo cual es interesante para generar luz con distinta tonalidad. El contenido en europio estudiado ha sido del 1,4%, 2,8% y 5,6%, para las películas preparadas usando respectivamente 10, 20 y 40 pulsos láser sobre el blanco de Eu para evaporarlo.

Gráfica en la que se muestra cómo cambia el color emitido por el led según la cantidad de pulsos láser que reciba

Variaciones del color de la emisión del LED según su concentración de europio.

La emisión de luz del ion Eu en estado 2+ ha llamado mucho la atención en distintas investigaciones, porque cuando se desexcita puede modificarse su color ya que se origina a partir de los electrones más alejados del núcleo del átomo de Eu. Estos electrones que están en capas externos están muy influenciados por el campo eléctrico de su entorno generado por los átomos de alrededor. Por eso al cambiar la composición y el enlace con los átomos que forman la lámina se puede cambiar el color de la emisión.

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