A fotoluminescência, propriedade conhecida há tempos em cristais, agora foi obtida em materiais amorfos por pesquisadores de São Carlos do Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão de Materiais Cerâmicos (CEPID). da UFSCar/Fapesp. A descoberta é importante para o desenvolvimento de nanotecnologia em materiais fotoluminescentes, com aplicações em microeletrônica e dispositivos ópticos eletrônicos, tais como moduladores, guias de onda, detetores de raios-X, display - monitores de computador e telas de TV, tecnologia solar, sensores e diodo emissor de luz LEDs - (Light Emission Diode).
Em geral, materiais bons para aplicações industriais são aqueles que podem ser sintetizados em baixas temperaturas e processados em diferentes maneiras e nas mais diferentes formas, dando um bom desempenho e que permitam trabalhar à temperatura ambiente.
Nos experimentos de laboratório que vêm sendo realizados há cerca de 2 ano, os pesquisadores verificaram fotoluminescência em titanatos de bário, cálcio, estrôncio e chumbo, compostos em estado amorto, sem a necessidade de condições especiais de síntese. A emissão de luz nesses compostos amorfos foi obtida em temperatura ambiente e em formas de pó e materiais nanoestruturados (filmes finos), permitindo a sua aplicação em diversos tipos de superfícies, sejam planas ou côncavas.
Os experimentos com materiais amorfos vêm sendo realizadas pelos pesquisadores da UFSCar. Edson Leite, Paulo Pizanni, Fenelon Pontes e Elson Longo, com financiamento da Fapesp e CNPq. "Materiais a base de titanatos" lumuniscentes são conhecidos desde aos anos 60, principalmente a fresnoita, um silicato de titanato de bário.
Entretanto, o resultado de nossas pesquisas representa uma avanço importante sobre os trabalhos feitos com grupos de titanatos (TiO5), em estado cristalino, com estrutura de pirâmide com base quadrada, e outros titanatos, dos quais foram obtidos luminescência em condições especiais, a temperaturas inferiores a 77 K, portanto de difícil aplicação industrial.
Na série de compostos que estamos estudando, pode-se verificar fotoluminescência a temperatura ambiente, ligada à estrutura da pirâmide de base quadrada desses materiais, em estado amorfo", explica o pesquisador Elson Longo, coordenador do Centro Cerâmico. Outra vantagem é a possibilidade de diminuir a dimensão dos dispositivos microeletrônicos, com conhecimento propriedades desses materiais nanoestruturados, tais como a transição de fase e a mudança ferroelétrica. Os primeiros resultados do estudo foram publicados em conceituadas revistas internacionais, como a Applied Physics Letter e Advance Materials Optics and Eletronics.
Além dos titanatos já citados, outros compostos amorfos apresentaram propriedade fotoluminescente: niobatosde Iítio ou sódio; mobilidato de cálcio ou bário ou estrôncio ou chumbo; zirconato de cálcio ou bário ou estrôncio ou chumbo; e tungustatos de cálcio ou bário ou estrôncio ou chumbo
DESENVOLVIMENTO
O campo científico de estruturas semicondutoras é uma importante área da ciência de materiais, que apresenta significativas aplicações tecnológicas.
O Si poroso não é um material novo, mas só recentemente que sua verdadeira microestrutura e surpreendentes propriedades foram examinadas, a partir da demonstração de eficiente emissão de luz sintonizável deste material à temperatura ambiente. Desde então, o número de publicações científicas sobre Si poroso cresceu abruptamente, atingindo 1500 em seis anos.
A origem da luminescência, entretanto, rapidamente tornou-se um tópico polemico e muitos modelos surgiram, sustentados pelas observações específicas da microestrutura do material e da natureza espectroscópica do processo de emissão de luz. O Si é um material tecnologicamente muito importante, dispositivos de emissão de luz de Si poderiam, eventualmente, resultar em uma nova geração de chips de Si.
Espera-se que um grande número de semicondutores -porosos possam exibir luminescência sintonizável de maneira similar ao Si poroso, para que, então, características comuns e diferenças possam revelar os mecanismos envolvidos no processo.
O aparecimento do laser em 1960 aumentou a aplicação da espectroscopia óptica como uma ferramenta usual para a caracterização de materiais. Essa poderosa fonte de luz monocromática é a responsável pelo desenvolvimento do campo de propriedades ópticas não lineares. A evolução de técnicas de detecção espectroscópica, tem sido também acelerada pelo laser, que se tornou indispensável em detecção de luminescência fotoexcitada de materiais.
Como desdobramento da descoberta do laser, a espectroscopia tem crescido como uma poderosa ferramenta para a caracterização de materiais e dispositivos semicondutores.
O fator de motivação para a rápida evolução da espectroscopia óptica é a ampla aplicação de dispositivos de emissão de luz e a sempre presente necessidade de surgimento de novos dispositivos, baseados em novos materiais.
A estrutura perovisquita forma uma das mais importantes classes de materiais ferroelétricos com propriedades eletro-ópticas não lineares e são empregadas em diversas aplicações de tecnologia eletrônica.
O desenvolvimento de materiais semicondutores com propriedades ópticas ativas, como: fotoluminescência (FL), eletroluminescência (EL) e propriedades ópticas não-lineares, podem levar ao desenvolvimento de novos dispositivos com desempenho superior. Um semicondutor é um sólido covalente que pode ser considerado "isolante", pois sua banda de valência está cheia e a banda de condução totalmente vazia, no zero absoluto, porém tem uma banda "gap" ou intervalo de energia entre as bandas de condução e de valência, inferior a 2 e V. Em sua forma amorfa, os semicondutores podem substituir semicondutores monocristalinos em uma variedade de aplicações ópto-eletrônicas, particularmente quando o tamanho do dispositivo precisa ser minimizado, ou quando o fator custo é importante.
Recentemente, descobriu-se que semicondutores de "gap" largo (3,0-4,0 eV) do tipo ATiO3, para A= Ca, Sr, Ba e Pb, apresentam forte FL na região do visível quando este composto está no estado amorfo. Um estudo mais detalhado do PbTiO3. mostra que existe uma íntima relação entre FL e estado amorfo. O material ferrelétrico titanato de chumbo, PbTiO3 (PT), apresenta propriedades dielétricas, piroelétricas e piezoelétricas, que são de grande interesse científico e tecnológico. Devido a isso, o PT apresenta grande tendência para ser aplicado como piroelétrico estável e material piezelétrico para aplicações em altas temperaturas ou altas freqüências, sendo utilizado como transdutor ultrasônico em aplicações médicas e sonares.
Luminescência é o nome dado ao fenômeno relacionado à capacidade que algumas substâncias apresentam em converter certos tipos de energia em emissão de radiação eletromagnética, com um excesso de radiação térmica. A luminescência é observada para todas as fases da matéria, seja gasosa, líquida ou sólida, para ambos compostos orgânicos e inorgânicos. A radiação eletromagnética emitida por um material luminescente, ocorre usualmente na região do visível, mas esta pode ocorrer também em outras regiões do espectro eletromagnético, assim como na ultravioleta ou no infravermelho.
A fotoluminescência é um resultado da absorção de fótons, utilizando-se uma radiação eletromagnética. A fotoluminescência, inclui tanto a fluorescência como fosforescência.
A fluorescência difere da fosforescência, no fato de que as transições de energia eletrônica responsáveis pela fluorescência não envolvem a mudança de spin eletrônico. Como conseqüência, a fluorescência tem tempo de vida curto, cessando quase que imediatamente (<10-5s). Em contraste, uma mudança de spin eletrônico, acompanha as emissões fosforescentes, a qual faz a radiação poder durar por um tempo facilmente detectável após o término da irradiação, frequentemente vários segundos ou mais.
Nas Figuras 1,2 e 3 estão ilustrados os processos de excitação e de emissão para um material hipotético, com a representação esquemática dos níveis de energia. E0 é o estado de energia fundamental e de E1 a E5 estão representados os estados de energia excitados. A baixas temperaturas e na ausência de uma energia de excitação só o nível E0 é ocupado. Após a excitação, elétrons são ativados para o nível E5. Os intervalos de energia entre os níveis adjacentes de E2 ao E5 são pequenos, enquanto que o intervalo entre E2 e E1 é grande. Se o intervalo entre um nível excitado e o mais próximo adjacente é pequeno, o material excitado tende a apresentar um decaimento não radiativo pela emissão de fóton, liberando energia na forma de calor. A radiação eletromagnética que é resultante de um decaimento radiativo de um nível eletrônico superior para o estado fundamental, pela emissão de um fóton, só ocorre quando o intervalo para o nível adjacente mais baixo está acima de um valor crítico. Quando o material da Figura é excitado para o nível E5, este perde energia na forma de cascata do nível 5 ao 2. Como o intervalo dos níveis 2 e 1 está acima do valor critico, então o material decai radiativamente do nível 2, emitindo um fóton alcançando o nível 1 ou 0. Se o material decai radiativamente para o nível 1, este então, decai não radiativamente através do pequeno intervalo para o estado fundamental.
Processo de excitação e emissão para um material hipotético. A luminescência na maioria dos sólidos inorgânicos, envolve impurezas ou defeitos estruturais, que são denominados ativadores. Estas imperfeições são de diversos tipos, atômicas e moleculares, as quais as características dependem da natureza e estrutura da imperfeição e dos estados eletrônicos do sólido.
Os estados eletrônicos devido às impurezas, envolvidos na luminescência, estão relacionados com a estrutura de bandas do sólido. Sólidos semicondutores são caracterizados por uma banda de valência e uma banda de condução, separada por um gap de energia. A luminescência ocorre pela excitação de elétrons para a banda de condução vazia, deixando buracos na banda de valência completamente preenchida. A emissão ocorre pela recombinação do par elétron-buraco. Esta recombinação, se dá devido à proximidade ou à presença de defeitos na estrutura cristalina.
Notícia
O Imparcial (Presidente Prudente, SP)