Por que o LED azul ganhou o Nobel de Física?

Por que algo que parece tão cotidiano valeu o prêmio mais cobiçado da ciência?

Diodos emissores de luz, mais conhecidos como LEDs, são dispositivos que emitem luz visível quando energizados. Eles são eficientes fontes de luz que hoje são utilizadas em uma infinidade de aplicações que vão de displays tela plana até iluminação pública. Os LEDs revolucionaram a iluminação, pois podem alcançar uma eficiência de até 300 lumen por watt, cerca de 20 vezes maior que as lâmpadas incandescentes, além de durarem 100 vezes mais que as lâmpadas convencionais.

Um LED é um sanduíche de cristais semicondutores dopados com diferentes impurezas. Um material é dopado positivamente – elétrons são retirados, deixando em seu lugar uma carga positiva chamada de buraco. Outro material é dopado negativamente, ficando com excesso de elétrons em sua estrutura. Quando uma corrente elétrica é aplicada, os elétrons e buracos se combinam na junção entre as camadas desses materiais e emitem luz.

A cor da luz emitida depende do cristal semicondutor e da impureza utilizada na dopagem do componente. Por exemplo, fosfeto de gálio dopado com nitrogênio pode emitir luz verde ou amarela. Já a luz branca é uma combinação de vários comprimentos de onda. Para propósitos caseiros ou industriais de iluminação, a luz branca pode ser obtida pela combinação de LEDs que emitem luz vermelha, verde e azul. Outra alternativa é depositar fósforo em cima do material semicondutor de um LED azul ou ultravioleta. Assim, parte da luz emitida pelo diodo é convertida em vários comprimentos de onda, formando a luz branca como em uma lâmpada fluorescente comum.

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As versões que emitem luz verde e vermelha, baseados em Gálio e Fósforo, existem desde meados da década de 50. Porém, criar emissores azuis foi um desafio técnico que demandou décadas de esforços. Tanto que três inventores japoneses foram laureados com o Nobel em Física de 2014 devido à criação do LED azul, num raro exemplo do prêmio sendo dado a uma invenção prática.

Logo no começo do seu desenvolvimento, físicos identificaram o Nitreto de Gálio (GaN) como um potencial candidato para a criação de LEDs azuis de alta potência. Porém, desafios na dopagem e crescimento das heteroestruturas baseadas neste material atrasaram o desenvolvimento do LED azul por mais de 30 anos. Uma dificuldade foi criar cristais finos e de alta qualidade, outra foi dopar o GaN de forma que ele emitisse luz de forma eficiente.

Na década de 80, Isamu Akasaki e Hiroshi Amano, da Universidade de Nagoya, Japão, otimizaram o processo de crescimento e conseguiram obter cristais de GaN de alta qualidade. Eles também fizeram importantes observações sobre as propriedades de GaN dopado com cargas positivas, que foram explicadas posteriormente para Shuji Nakamura, abrindo caminho para a fabricação de heteroestruturas baseadas em Nitreto de Gálio. Akasaki, Amano e Nakamura, laureados com o Nobel em 2014, persistiram no GaN por muito tempo depois de seus competidores terem desistido e trocado de material. Somente no começo dos anos 90 eles conseguiram a emissão de luz azul a partir de estruturas baseadas em nitreto de gálio.

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A cor da luz emitida depende do cristal semicondutor e da impureza utilizada na dopagem do componente. No caso do LED azul, os cientistas conseguiram a emissão com estruturas baseadas em nitreto de gálio.

Da luz azul para a branca

Estas descobertas levaram ao desenvolvimento de fontes de luz branca que utilizam somente 10% da energia consumida por lâmpadas incandescentes. Quase todas as lâmpadas de LED brancas consistem em um emissor de luz azul combinado com um ou mais materiais luminescentes, que convertem parte da luz azul para comprimentos de onda maiores.
Considerando que quase um quarto do consumo de energia mundial é atribuído à iluminação, o potencial desta invenção fica claro. No futuro, LEDs azuis serão provavelmente usados em dispositivos portatéis que podem desinfetar ou esterilizar água, ou talvez até mesmo em memórias de computador que utilizem luz em vez de de eletricidade para guardar dados. O prêmio foi entregue aos cientistas em reconhecimento “pela invenção de eficientes diodos emissores de luz azul que possibilitaram fontes de luz branca brilhantes e econômicas.” ■

Fontes:
Elisa De Ranieri, Nature Nanotechnology 9, 880 (2014)
Elizabeth Gibney, Nature 514, 152–153 (2014)

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