Os diodos emissores de luz (LEDs) baseados em semicondutores revolucionaram o campo da iluminação de consumo ao reduzir o consumo de energia em cinco vezes. Eles gradualmente substituíram as lâmpadas incandescentes, que produzem luz por radiação térmica de um filamento metálico.
Visão artística de um diodo emissor de luz (LED) baseado em grafeno sobre nitreto de boro.
© LPENS
Entre esses metais condutores e os semicondutores dos LEDs, encontramos o grafeno, um material bidimensional semimetálico que poderia ser qualificado como "intermediário", pois possui propriedades pertencentes a ambos os anteriores. Sem surpresa, ele manifesta, por exemplo, sob alta tensão, uma incandescência bem documentada (no visível e no infravermelho próximo).
Em 2018, a medição das flutuações da corrente elétrica sugeriu que os elétrons de um grafeno de alta qualidade poderiam atingir um estado fora do equilíbrio favorável à emissão de luz por eletroluminescência. No entanto, essa previsão, surpreendente para um material desprovido de banda proibida, exigia uma confirmação experimental.
Em um artigo publicado na revista Nature, fruto de uma colaboração francesa, um grupo de pesquisadores franceses demonstra pela primeira vez que, sob certas condições, o grafeno pode emitir além de sua incandescência natural ao entrar em um regime de eletroluminescência. Este, emitindo (no infravermelho médio) em um comprimento de onda de 6,5 µm, é possível quando o cristal de grafeno é particularmente puro e livre de defeitos, enquanto é protegido de agressões físico-químicas externas por uma matriz de material 2D composta de nitreto de boro hexagonal.
Esta descoberta foi acompanhada por uma segunda surpresa: neste regime de eletroluminescência do grafeno, os pesquisadores observaram um aumento excepcional na eficiência da transferência de energia eletromagnética de campo próximo dentro da pilha grafeno/nitreto de boro.
Graças à pirometria infravermelha - uma técnica comumente usada para determinar a perda térmica de edifícios com o auxílio de uma câmera infravermelha - os pesquisadores demonstraram que os elétrons do grafeno transferem a maior parte da potência elétrica injetada no dispositivo para o substrato via excitações elementares específicas do material encapsulante (os fonon-polaritons hiperbólicos do Nitreto de Boro).
Até agora, este mecanismo de transferência radiante, embora conhecido nos diodos eletroluminescentes de semicondutores, era considerado um fenômeno anedótico devido à sua muito baixa eficiência. Aqui, ele se torna o mecanismo de transferência de energia dominante (até 75%).
Finalmente, o consórcio demonstrou que esta transferência de energia depende crucialmente da qualidade cristalina do encapsulante do grafeno. De fato, ao usar um Nitreto de Boro fabricado através de um método de ceramização de polímero, é possível desligar a transferência eletromagnética de campo próximo sem alterar as características elétricas do sistema.
A eletroluminescência do grafeno (a) e a transferência eletromagnética de campo próximo (b) em seu encapsulante (o nitreto de boro), são as duas faces de um mesmo mecanismo: sob alta tensão, a queda de potencial rápida no canal leva à injeção por efeito túnel (1) de elétrons na banda de condução, que, após o relaxamento intrabanda (2), produzem uma excitação eletromagnética por uma transição interbanda (3). Para as excitações de grande comprimento de onda (a), um modo coletivo luz-matéria da estrutura é excitado (4) que pode escapar para o espaço livre através de um difusor ou defeito na superfície (5).
(b) Por outro lado, a excitação em comprimentos de onda curtos produz um aquecimento localizado ao redor do grafeno (4') que, por condução térmica no nitreto de Boro (5') aquece o substrato, cuja incandescência pode então ser observada no infravermelho médio (6').
© Material from: 'L. Abou-Hamdan, Electroluminescence and Energy Transfer Mediated by Hyperbolic Polaritons, Nature, published 2025, Springer Nature'
O objetivo dos pesquisadores agora é explorar o caráter semimetálico do grafeno para induzir a eletroluminescência em comprimentos de onda arbitrários. Esta variabilidade distinguiria claramente o grafeno dos semicondutores, cujo comprimento de onda de emissão é limitado pelo valor da banda proibida. A longo prazo, a flexibilidade inédita deste tipo de fonte poderia abrir caminho para aplicações nos campos da óptica, telecomunicações e eletrônica.