I diodi a emissione di luce (LED) richiedono tradizionalmente la perfezione atomica per ottimizzare l'efficienza. Su scala nanometrica, dove le strutture misurano solo miliardesimi di metro, i difetti dovrebbero essere evitati a tutti i costi, fino ad ora.

Un team di scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e della Stony Brook University ha scoperto che imperfezioni sottili possono aumentare notevolmente l'efficienza e l'emissione di luce ultravioletta (UV) di alcuni materiali LED.

"I risultati sono sorprendenti e del tutto controintuitivi, ", ha affermato Mingzhao Liu, scienziato del Brookhaven Lab, l'autore senior dello studio. "Questi difetti quasi impercettibili, che si è rivelato essere privo di ossigeno nella superficie dei nanofili di ossido di zinco, effettivamente migliorare le prestazioni. Questa rivelazione potrebbe ispirare nuovi progetti di nanomateriali ben oltre i LED che altrimenti sarebbero stati ignorati di riflesso".

I risultati, pubblicato online il 5 dicembre 2017, in Lettere di fisica applicata , aiutano ad avvicinare queste strutture di ossido di zinco all'uso come sorgente UV in applicazioni pratiche, compresi i sensori medici, catalizzatori, e persino l'illuminazione domestica.

"L'attuale standard LED per la luce UV è il nitruro di gallio, che funziona magnificamente ma è sia costoso che è lungi dall'essere rispettoso dell'ambiente, ", ha detto lo scienziato di Brookhaven e coautore dello studio Dario Stacchiola. "Questo ossido di zinco 'imperfetto' supera questi problemi".

Gli scienziati hanno sfruttato la singolare strumentazione e le competenze disponibili presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) e National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) del Brookhaven Lab. entrambe le strutture per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del DOE.

"Avere la capacità di esplorare i materiali dalla sintesi alla caratterizzazione complessa è un vantaggio unico di Brookhaven Lab, — disse Stacchiola. — Infatti, l'enigma dell'efficienza delle emissioni di nanofili di ossido di zinco potrebbe essere risolto solo quando nuovi strumenti sono stati messi in funzione su NSLS-II".

Luce nata sul bordo

I LED ad alte prestazioni sfruttano un fenomeno chiamato fotoluminescenza Near Band Edge (NBE) che si trova nei materiali semiconduttori.

"Quando gli elettroni nella banda di conduzione si ricombinano con i buchi nella banda di valenza, attraversando il bordo del cosiddetto gap di banda, possono emettere luce, " Liu ha detto. "Ottimizzando quell'effetto, specifico per i raggi UV, era il nostro obiettivo primario».

Gli scienziati hanno utilizzato un approccio basato su soluzioni a bassa temperatura relativamente semplice per coltivare nanofili composti da cristalli di ossido di zinco. Hanno quindi applicato il plasma di ossigeno per pulire le strutture finali dei nanofili.

"Per caso, durante una prova, abbiamo eseguito questo passaggio al plasma a una pressione molto più bassa del solito e i risultati sono stati fortuiti e scioccanti, " Liu ha detto. "Quel trattamento al plasma a bassa pressione è il vero punto di svolta qui".

Le emissioni inaspettate di NBE hanno sconcertato gli scienziati per anni, ma gli strumenti investigativi alla fine sono avanzati abbastanza da far luce sul mistero.

Luci brillanti e nanotecnologia di nuova generazione

La chiave per la svolta è arrivata attraverso una forte sinergia tra due linee di luce a NSLS-II. I dati della linea di luce 8-ID, una delle sorgenti di assorbimento di raggi X più intense al mondo, combinati con la prima serie di risultati di un nuovo, stazione terminale all'avanguardia per microscopia elettronica a fotoemissione a raggi X (XPEEM) sulla linea di luce 21-ID-2. La stazione terminale XPEEM è gestita come una partnership tra CFN e NSLS-II.

Beamline 8-ID ha rivelato la quantità di assorbimento dei raggi X, che è stato poi utilizzato per dedurre lo stato ossidativo dei campioni. Le misurazioni alla linea di luce 21-ID-2 hanno completato quel lavoro, bombardare il campione con raggi X per eccitare elettroni ed emettere fotoni in base ai livelli di banda del campione. Analizzando tale energia, le posizioni delle bande e il loro ruolo nell'emissione di luce possono essere determinate con alta precisione.

"Abbiamo scoperto che le vacanze di ossigeno sulla superficie creano dipoli che confinano i portatori di carica al nucleo del nanofilo, " ha detto il coautore dello studio e scienziato NSLS-II Klaus Attenkofer. "Questi posti vacanti sembrano guidare l'emissione di luce altamente efficiente e pura. E poiché sappiamo esattamente cosa distingue questa struttura di ossido di zinco, sappiamo come costruirci sopra ed esplorare materiali simili."

La nuova tecnica di sintesi consente strutture aggiuntive, come alta qualità, strati di ossido di titanio, che potrebbe essere l'ideale per i fotocatalizzatori. Un tale materiale potrebbe agire efficacemente come uno sdoppiatore d'acqua, fornire combustibile a idrogeno per una serie di tecnologie di energia rinnovabile. Esperimenti futuri esploreranno questa possibilità e osserveranno persino le reazioni catalitiche svolgersi in tempo reale.

"La forte sinergia tra CFN e NSLS-II rende Brookhaven Lab un luogo unico per fare ricerca sui nanomateriali, " disse Chuck Black, il direttore del CFN. "Lavorando a stretto contatto, le due strutture stanno sviluppando e offrendo nuove capacità di ricerca a beneficio dei ricercatori di tutto il mondo. Questi strumenti all'avanguardia sono fondamentali per accelerare la ricerca sulle nanoscienze, che consentirà i materiali avanzati di domani."