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Os defeitos geralmente limitam o desempenho de dispositivos como diodos emissores de luz (LEDs). Os mecanismos pelos quais os defeitos aniquilam os portadores de carga são bem compreendidos em materiais que emitem luz em comprimentos de onda vermelhos ou verdes, mas falta uma explicação para tal perda em emissores de comprimento de onda mais curto (azul ou ultravioleta).
Pesquisadores do Departamento de Materiais da UC Santa Barbara, no entanto, descobriram recentemente o papel crucial do efeito Auger-Meitner, um mecanismo que permite que um elétron perca energia ao chutar outro elétron para um estado de maior energia.
“É sabido que defeitos ou impurezas – coletivamente chamados de ‘armadilhas’ – reduzem a eficiência dos LEDs e outros dispositivos eletrônicos”, disse o professor de materiais Chris Van de Walle, cujo grupo realizou a pesquisa.
A nova metodologia revelou que o efeito Auger-Meitner assistido por trap pode produzir taxas de perda que são ordens de magnitude maiores do que as causadas por outros mecanismos considerados anteriormente, resolvendo assim o quebra-cabeça de como os defeitos afetam a eficiência dos emissores de luz azul ou UV. As conclusões são publicadas na revista Cartas de revisão física.
As observações desse fenômeno datam da década de 1950, quando pesquisadores da Bell Labs e da General Electric observaram seu impacto prejudicial nos transistores. Van de Walle explicou que os elétrons podem ficar presos em defeitos e se tornarem incapazes de desempenhar o papel pretendido no dispositivo, seja amplificando uma carga em um transistor ou emitindo luz recombinando-a com um buraco (um estado desocupado de baixa energia) em um LIDERADO. A energia perdida nesse processo de recombinação foi assumida como sendo liberada na forma de fônons, ou seja, vibrações de rede que aquecem o dispositivo.
O grupo de Van de Walle havia modelado anteriormente esse processo mediado por fônons e descobriu que ele se encaixava devidamente na perda de eficiência observada em LEDs que emitem luz nas regiões vermelha ou verde do espectro. No entanto, para LEDs azuis ou ultravioleta, o modelo falhou; a maior quantidade de energia transportada pelos elétrons nesses comprimentos de onda mais curtos simplesmente não pode ser dissipada na forma de fônons.
“É aqui que entra o processo Auger-Meitner”, explicou Fangzhou Zhao, pesquisador de pós-doutorado do grupo de Van de Walle e principal pesquisador do projeto. Os pesquisadores descobriram que, em vez de liberar energia na forma de fônons, o elétron transfere sua energia para outro elétron que é levado a um estado de energia mais alto. Esse processo costuma ser chamado de efeito Auger, em homenagem a Pierre Auger, que o relatou em 1923. No entanto, Lise Meitner – cujas muitas realizações nunca foram devidamente reconhecidas durante sua vida – já havia descrito o mesmo fenômeno em 1922.
O trabalho experimental no grupo de materiais da UC Santa Barbara, professor James Speck, havia sugerido anteriormente que processos Auger-Meitner assistidos por armadilhas poderiam ocorrer; no entanto, com base apenas nas medições, é difícil distinguir rigorosamente entre diferentes canais de recombinação. Zhao e seus co-pesquisadores desenvolveram uma metodologia de primeiros princípios que, combinada com cálculos de ponta, estabeleceu conclusivamente o papel crucial do processo Auger-Meitner. No caso do nitreto de gálio, o principal material usado em LEDs comerciais, os resultados mostraram taxas de recombinação assistida por trap que eram mais de um bilhão de vezes maiores do que se apenas o processo mediado por fônons tivesse sido considerado. Claramente, nem todas as armadilhas mostrarão melhorias tão grandes; mas com a nova metodologia em mãos, os pesquisadores agora podem avaliar com precisão quais defeitos ou impurezas são realmente prejudiciais à eficiência.
“O formalismo computacional é completamente geral e pode ser aplicado a qualquer defeito ou impureza em materiais semicondutores ou isolantes”, disse Mark Turiansky, outro pesquisador de pós-doutorado do grupo de Van de Walle que esteve envolvido no projeto. Os pesquisadores esperam que esses resultados aumentem a compreensão dos mecanismos de recombinação não apenas em emissores de luz semicondutores, mas também em qualquer material de banda larga em que os defeitos limitam a eficiência.
A pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia e uma bolsa de estudos do Departamento de Defesa Vannevar Bush, que foi concedida a Van de Walle em 2022. Zhao recebeu uma bolsa de pós-doutorado do Prêmio Elings. Os cálculos foram realizados no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).
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