Eletrônica

Cristais fotônicos 3D têm propriedades ópticas e eletrônicas

Liz Ahlberg - 25/07/2011

Cristais fotônicos 3D têm proprieades ópticas e eletrônicas
Esquema do primeiro LED criado a partir do cristal fotônico 3D. O material poderá ser usado também em células solares, lasers e metamateriais. [Imagem: Erik Nelson]

Cristais fotônicos

Em um avanço que poderá abrir novos caminhos para as células solares, lasers, metamateriais e vários outros campos, pesquisadores da Universidade de Illinois, nos Estados Unidos, demonstraram o primeiro cristal fotônico 3D ativo tanto óptica quanto eletronicamente.

"Nós descobrimos uma forma de mudar a estrutura tridimensional de um material semicondutor bem conhecido para criar novas propriedades ópticas, mantendo as suas propriedades elétricas," disse Paul Braun, que liderou a pesquisa.

Cristais fotônicos são materiais que podem controlar ou manipular a luz de formas totalmente inesperadas, graças à sua singular estrutura física.

Eles podem induzir fenômenos incomuns e afetar o comportamento dos fótons de formas impossíveis de se fazer com os materiais e dispositivos ópticos tradicionais.

É por isso que os cristais fotônicos são os materiais preferidos para o estudo de lasers, energia solar, LEDs, metamateriais e muito mais.

Óptico e eletrônico

Tentativas anteriores de construir cristais fotônicos 3-D resultaram em dispositivos que são ativos apenas opticamente, isto é, eles podem direcionar a luz, mas não eletronicamente ativos, de modo que não conseguem converter energia elétrica em luz ou vice-versa.

O cristal fotônico criado agora é uma estrutura tridimensional que conserva as duas propriedades.

"Com a nossa abordagem para a fabricação de cristais fotônicos, há um grande potencial para otimizar as propriedades eletrônicas e ópticas simultaneamente," disse Erik Nelson, coautor da pesquisa. "Isso nos dá a oportunidade de controlar a luz de formas muito originais, na forma como ela é emitida, como é absorvida e como se propaga."

Cristais fotônicos 3D têm propriedades ópticas e eletrônicas
Esquema do método de crescimento epitaxial utilizado para a construção dos cristais fotônicos 3D. [Imagem: Erik Nelson]

Cristal fotônico 3-D

Para criar um cristal fotônico 3-D que é tanto eletronicamente quanto opticamente ativo, os pesquisadores começaram com pequenas esferas, empacotadas juntas dentro de um molde.

A seguir, eles depositaram arseneto de gálio (GaAs), um semicondutor amplamente utilizado pela indústria, sobre o molde, preenchendo as lacunas entre as esferas.

A arseneto de gálio cresce como um único cristal, de baixo para cima (bottom-up), um processo chamado epitaxia.

A epitaxia, ou crescimento epitaxial, é usado na indústria para criar filmes planos, bidimensionais, de um único cristal semicondutor, mas o grupo desenvolveu uma maneira de aplicá-la a uma estrutura tridimensional complexa.

Quando o molde fica cheio, depois do crescimento do cristal de GaAs, os pesquisadores removem as esferas, deixando uma estrutura 3-D porosa de um único cristal semicondutor.

Finalmente, toda a estrutura é coberta com uma camada muito fina de um semicondutor com uma maior bandgap para melhorar o desempenho e prevenir a recombinação superficial.

Aplicações específicas

A abordagem epitaxial elimina muitos dos defeitos introduzidos por métodos de fabricação de cima para baixo (top-down), um caminho muito usado para a criação de estruturas fotônicas 3-D.

Outra vantagem é a facilidade de criação de estruturas heterogêneas em camadas. Por exemplo, uma camada de poços quânticos poderia ser introduzida no cristal fotônico, preenchendo parcialmente o modelo com GaAs e depois mudando rapidamente o fluxo de vapor para outro material.

Para testar a sua técnica, o grupo construiu um LED com o cristal fotônico 3-D, que se mostrou totalmente operacional e com potencial para se tornar mais eficiente do que os LEDs atuais.

Agora, o grupo está trabalhando para otimizar a estrutura para aplicações específicas.

O LED demonstra que o conceito produz dispositivos funcionais, mas, ajustando a estrutura ou usando outros materiais semicondutores, os pesquisadores podem melhorar a captura de comprimentos de onda específicos para células solares, para aplicações em metamateriais ou para lasers.

Bibliografia:

Epitaxial growth of three-dimensionally architectured optoelectronic devices
Erik C. Nelson, Neville L. Dias, Kevin P. Bassett, Simon N. Dunham, Varun Verma, Masao Miyake, Pierre Wiltzius, John A. Rogers, James J. Coleman, Xiuling Li, Paul V. Braun
Nature Materials
24 July 2011
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nmat3071
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