Fósforos sustentáveis à base de manganês
Manganês em vez de terras raras
Praticamente todos os díodos emissores de luz utilizados atualmente requerem fósforos baseados nos chamados elementos de terras raras, que são caros e difíceis de obter. Num projeto de investigação em colaboração entre a Universidade Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) e a Universidade de Innsbruck, os químicos demonstraram agora que o elemento manganês é, em princípio, também adequado para tais aplicações. Na revista científica Angewandte Chemie, mostram que esta abordagem permite gerar luz branca a partir de um único fósforo à base de manganês.
Os díodos emissores de luz - abreviadamente designados por LED - são eficientes em termos energéticos e flexíveis, o que os torna uma tecnologia fundamental para a iluminação sustentável. Os actuais LEDs de luz branca são normalmente compostos por um LED semicondutor azul, cuja luz é depois convertida por duas camadas de materiais fotoactivos em luz verde e luz vermelha. A combinação destas cores de luz cria a luz branca desejada.
Os fósforos utilizados nos LEDs actuais contêm quase todos elementos de terras raras, como o európio ou o cério. No entanto, a obtenção destes elementos é dispendiosa e só são extraídos em grande escala em algumas regiões do mundo, principalmente na China. Este facto apresenta desvantagens estratégicas significativas.
Uma equipa de investigação liderada pelo Professor Assistente Dr. Markus Suta (grupo de trabalho de Materiais Inorgânicos Fotoactivos da HHU) e pelo Professor Dr. Hubert Huppertz (Departamento de Química Geral, Inorgânica e Teórica da Universidade de Innsbruck) procurou agora alternativas, que estão mais amplamente disponíveis e são mais fáceis de manusear. Identificaram o metal de transição manganês (abreviado: Mn) - mais precisamente o ião manganês com carga positiva dupla (abreviado: Mn2+) - como promissor. Em contraste com as terras raras, o manganês é muito mais abundante na crosta terrestre, pode ser facilmente extraído de minérios e é de fácil manuseamento.
Então, porque é que o manganês não foi já utilizado em LEDs no passado? O Professor Suta explica: "Uma desvantagem fundamental é a absorção altamente ineficiente do Mn2+, o que significa que a luminescência decai de forma relativamente lenta. Por conseguinte, são necessárias densidades de potência elevadas para obter um brilho suficiente". Em contrapartida, o ião Mn4+ já está a ser utilizado - emite luz vermelha de banda estreita em fluoretos e é sobretudo utilizado em ecrãs de visualização. No entanto, a produção dos fósforos correspondentes envolve ácido fluorídrico, o que é problemático.
Na célebre revista científica "Angewandte Chemie", os investigadores dão agora conta da sua análise da luminescência - as propriedades de radiação - de um composto especial: o ião Mn2+ nos chamados litosilicatos alcalinos. O grupo de trabalho liderado pelo Professor Huppertz já identificou há vários anos esta classe de compostos como candidatos potencialmente promissores para emissores de banda estreita de emissão de ciano para ecrãs de visualização, embora nessa altura ainda com o európio como emissor.
Professor Suta: "Em contraste com os iões de európio, os iões de manganésio são muito mais pequenos e mais flexíveis no que diz respeito à seleção de geometrias de coordenação específicas. Os iões Mn2+ emitem uma luz verde de banda estreita na proximidade de quatro átomos de oxigénio, mas emitem luz vermelha quando rodeados por seis a oito átomos de oxigénio. Com os pormenores estruturais corretos, o brilho da luminescência mantém um elevado nível de estabilidade térmica, o que é importante, uma vez que os LEDs com estes fósforos inorgânicos atingem temperaturas de funcionamento de cerca de 150°C."
O Professor Huppertz afirma uma outra vantagem: "Juntamente com a luz azul do LED semicondutor, pode ser gerada uma luz branca eficiente utilizando um único fósforo obtido a partir de matérias-primas disponíveis." Para tal, são atualmente misturados dois fósforos diferentes à base de európio. Suta acrescenta: "Isto oferece o potencial para criar um LED emissor de luz branca com uma grande capacidade de afinação da cor".
Os investigadores sublinham que são necessárias mais investigações para determinar as densidades de potência necessárias para a excitação. O Professor Huppertz conclui: "Precisamos de ver se o brilho e o consumo de energia de um LED com um fósforo ativado por manganês baseado no nosso conceito pode realmente competir com os LEDs actuais".
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