Por primera vez, se ha podido observar la electroluminiscencia en un material relacionado con los metales gracias al uso de grafeno de alta calidad.
Los diodos electroluminiscentes (LED) basados en semiconductores han revolucionado el ámbito de la iluminación de consumo al dividir por cinco el consumo eléctrico. Han ido desplazando progresivamente a las bombillas incandescentes, que producen luz por radiación térmica de un filamento metálico.
Ahora bien, entre estos metales conductores y los semiconductores de los LED, encontramos el grafeno, un material bidimensional semimetálico que podríamos calificar de «intermedio», ya que posee propiedades pertenecientes a ambos. Como era de esperar, manifiesta por ejemplo bajo alta tensión una incandescencia bien documentada (en el visible y el infrarrojo cercano).
En 2018, la medición de las fluctuaciones de corriente eléctrica había sugerido que los electrones de un grafeno de alta calidad podían alcanzar un estado fuera de equilibrio favorable a la emisión de luz por electroluminiscencia. Sin embargo, esta predicción, sorprendente para un material carente de banda prohibida, requería una confirmación experimental.
En un artículo publicado en la revista Nature fruto de una colaboración francesa, un grupo de investigadores franceses demuestra por primera vez que, bajo ciertas condiciones, el grafeno puede emitir más allá de su incandescencia natural al entrar en un régimen de electroluminiscencia. Este, que emite (en el infrarrojo medio) a una longitud de onda de 6,5 µm, es posible cuando el cristal de grafeno es particularmente puro y está libre de defectos, al mismo tiempo que está protegido de las agresiones físico-químicas externas por una matriz de material 2D compuesta de nitruro de boro hexagonal.
Este descubrimiento vino acompañado de una segunda sorpresa: en este régimen de electroluminiscencia del grafeno, los investigadores observaron un aumento excepcional en la eficiencia de la transferencia de energía electromagnética de campo cercano dentro del apilamiento grafeno/nitruro de boro.
Gracias a la pirometría infrarroja – una técnica comúnmente utilizada para determinar la pérdida térmica de edificios mediante una cámara infrarroja – los investigadores demostraron que los electrones del grafeno transfieren la mayor parte de la potencia eléctrica inyectada en el dispositivo hacia el sustrato a través de las excitaciones elementales específicas del material encapsulante (los fonon-polaritones hiperbólicos del Nitruro de Boro).
Hasta ahora, este mecanismo de transferencia radiativa, aunque conocido en los diodos electroluminiscentes de semiconductores, era considerado un fenómeno anecdótico debido a su muy baja eficiencia. Aquí se convierte en el mecanismo de transferencia de energía dominante (hasta un 75%).
Finalmente, el consorcio demostró que esta transferencia de energía depende crucialmente de la calidad cristalina del encapsulante del grafeno. De hecho, al utilizar un Nitruro de Boro fabricado mediante un método de ceramización de polímero, es posible apagar la transferencia electromagnética en campo cercano sin modificar las características eléctricas del sistema.
El objetivo de los investigadores es ahora explotar el carácter semimetálico del grafeno para inducir la electroluminiscencia a longitudes de onda arbitrarias. Esta variabilidad distinguiría claramente al grafeno de los semiconductores, cuya longitud de onda de emisión está limitada por el valor del gap de la banda prohibida. A más largo plazo, la flexibilidad sin precedentes de este tipo de fuente podría abrir el camino a aplicaciones en los campos de la óptica, las telecomunicaciones y la electrónica.
Fuente: techno-science.net
La entrada ¡La electroluminiscencia del grafeno, un descubrimiento inesperado! se publicó primero en INVDES.