El oxígeno es indispensable para la vida animal y vegetal, pero su presencia en los lugares equivocados puede alimentar un incendio y provocar la oxidación del hierro.
En la fabricación de dispositivos de iluminación de estado sólido, los científicos están aprendiendo que el oxígeno también juega un papel de doble filo. Mientras que el oxígeno puede impedir la efectividad del nitruro de galio GaN, un material habilitante para LED, pequeñas cantidades de oxígeno en algunos casosson necesarios para mejorar las propiedades ópticas de los dispositivos. GaN dopado con europio Eu, que podría proporcionar el color rojo en los LED y otras pantallas, es uno de esos casos.
La semana pasada, un grupo internacional de investigadores arrojó luz sobre esta aparente contradicción e informó que la cantidad y la ubicación de oxígeno en GaN se pueden ajustar para mejorar el rendimiento óptico de los dispositivos GaN dopados con Eu. El grupo incluye investigadores de Lehigh, La Universidad de Osaka en Japón, el Instituto Superior Técnico en Portugal, la Universidad de Mount Union en Ohio y el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee.
Escribiendo en Informes científicos , una publicación de Nature, el grupo dijo que pequeñas cantidades de oxígeno promueven la incorporación uniforme de Eu en las redes cristalinas de GaN. El grupo también demostró un método para incorporar Eu de manera uniforme que utiliza solo los niveles de oxígeno que están inevitablemente presentes en elGaN de todos modos. Eu, un elemento de tierras raras RE, se agrega a GaN como un "dopante" para proporcionar una emisión de color rojo altamente eficiente, que sigue siendo un desafío para los dispositivos optoelectrónicos basados en GaN.
La capacidad de los dispositivos para emitir luz depende de la homogeneidad relativa de la incorporación de la UE, dijo Volkmar Dierolf, profesor y presidente del departamento de física de Lehigh.
"Algunos detalles, como por qué se necesita el oxígeno para la incorporación de Eu, aún no están claros", dijo Dierolf, "pero hemos determinado que la cantidad requerida es aproximadamente el 2 por ciento de la cantidad de iones Eu. Por cada 100 iones Eu, necesita dos átomos de oxígeno para facilitar la incorporación de Eu a GaN.
"Si el oxígeno no está allí, el Eu se agrupa y no se incorpora. Cuando el oxígeno está presente en aproximadamente un 2 por ciento, se produce pasivación de oxígeno, lo que permite que el Eu se incorpore al GaN sin agruparse".
El artículo se titula "Utilización de oxígeno nativo en GaN dopado con Eu RE para permitir la compatibilidad de dispositivos en aplicaciones optoelectrónicas". El autor principal, Brandon Mitchell, recibió su doctorado de Lehigh en 2014 y ahora es asistenteprofesor de física y astronomía en la Universidad de Mount Union y profesor visitante en la Universidad de Osaka.
Los coautores del artículo incluyen a Dierolf; Yasufumi Fujiwara, profesor de ciencias de los materiales en la Universidad de Osaka; y Jonathan D. Poplawsky, investigador asociado en el Laboratorio Nacional Oak Ridge que recibió su doctorado de Lehigh en 2012.
Un estudio integral
El nitruro de galio, un semiconductor duro y duradero, se valora en la iluminación de estado sólido porque emite luz en el espectro visible y porque su amplio intervalo de banda hace que los dispositivos electrónicos GaN sean más potentes y eficientes energéticamente que los dispositivos hechos de silicio y otros semiconductores.
El efecto adverso del oxígeno sobre las propiedades de GaN ha sido muy discutido en la literatura científica, escribieron los investigadores Informes científicos pero la influencia del oxígeno y la interacción con los dopantes RE en GaN se entiende menos.
"La presencia de oxígeno en GaN", escribió el grupo en su artículo, que fue publicado en línea el 4 de enero, ... "normalmente se discute con una connotación puramente negativa, donde no se consideran posibles aspectos positivos de su influencia.
"Para la optimización continua de este material, deben explorarse las funciones positivas y negativas de los defectos críticos, como el oxígeno".
El grupo usó varias técnicas de imagen, incluyendo Rutherford Backscattering, Tomografía de sonda atómica y Espectroscopía de emisión de excitación combinada, para obtener una vista a nivel atómico de la difusión y las concentraciones locales de oxígeno y Eu en la red cristalina de GaN.
Su investigación, escribió el grupo, representaba el "primer estudio exhaustivo del papel crítico que el oxígeno tiene en Eu en GaN". El grupo eligió experimentar con GaN dopado con Eu GaN: Eu, dijo Dierolf, porque el europio emiteluz brillante en la porción roja del espectro electromagnético, una cualidad prometedora dada la dificultad que los científicos han encontrado al darse cuenta de la luz LED roja.
El grupo dijo que sus resultados "indican fuertemente que para capas individuales de GaN: Eu, se requieren concentraciones significativas de oxígeno para asegurar la incorporación uniforme de Eu y propiedades ópticas favorables.
"Sin embargo, para el alto rendimiento y la confiabilidad de los dispositivos basados en GaN, la minimización del oxígeno es esencial. Está claro que estos dos requisitos no son compatibles entre sí".
Los dispositivos LED preliminares que contienen una sola capa activa de GaN de 300 nanómetros: Eu se han demostrado en los últimos años, informó el grupo, pero aún no han logrado la viabilidad comercial, en parte debido a la incompatibilidad del oxígeno con GaN.
Para superar ese obstáculo, dijo Dierolf, los investigadores decidieron que en lugar de cultivar una capa gruesa y homogénea de GaN: Eu cultivarían varias capas más delgadas de regiones alternadas dopadas y no dopadas. Este enfoque, encontraron, utiliza la cantidad relativamente pequeñade oxígeno que está naturalmente presente en GaN cultivado con epitaxia organometálica en fase de vapor OMVPE, el método común para preparar GaN.
"En lugar de cultivar una capa gruesa de GaN dopado con Eu", dijo Dierolf, "crecimos una capa que alternaba regiones dopadas y no dopadas. Mediante la difusión del ion europio, se utilizó oxígeno de las regiones no dopadas para incorporar la Euen el GaN. El europio luego se difundió en las regiones no dopadas ".
Para determinar la cantidad óptima de oxígeno necesaria para sortear la incompatibilidad oxígeno-GaN, los investigadores también realizaron experimentos en GaN cultivado con un "precursor" Eu que contiene oxígeno y en GaN dopado intencionalmente con oxígeno diluido con argón.
Descubrieron que el GaN cultivado con OMVPE contenía significativamente menos oxígeno que las otras muestras.
"La concentración de este oxígeno [en el GaN producido por OMVPE] es más de dos órdenes de magnitud menor que las [concentraciones] encontradas en las muestras cultivadas con el precursor de Eu ... que contiene oxígeno", escribió el grupo, "haciendo que el material sea compatible con los dispositivos actuales basados en GaN.
"Hemos demostrado que la concentración de oxígeno en los materiales de GaN: Eu puede reducirse a un nivel compatible con el dispositivo. La optimización periódica de la relación de concentración entre el oxígeno que se encuentra normalmente en GaN y los iones de Eu dio como resultado una incorporación uniforme de Eu, sinsacrificando la intensidad de emisión.
"Estos resultados parecen coincidir con las observaciones en otros materiales de GaN dopados con RE. La adopción de los métodos discutidos en este artículo podría tener una profunda influencia en la optimización futura de estos sistemas, así como GaN: Eu".
El grupo planea hacer crecer las estructuras de pozos cuánticos de GaN y determinar si permiten que Eu se incorpore de manera aún más favorable y efectiva en GaN. Con ese fin, Dierolf y Nelson Tansu, profesor de ingeniería eléctrica e informática y director del Centro de Fotónica de Lehighy Nanoelectronics, han recibido una beca de Oportunidad de Investigación Colaborativa CORE de Lehigh.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Lehigh . Original escrito por Kurt Pfitzer. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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