As lâmpadas UV-C representam uma inovação significativa ao integrar caixas quânticas nanométricas de nitreto de gálio e alumínio. Elas garantem uma desinfecção eficaz em um espectro de comprimentos de onda seguros para o ser humano.
O baixo custo e a facilidade de uso das lâmpadas de mercúrio, que emitem a 254 nm, foram fundamentais para a adoção generalizada da tecnologia de desinfecção UV. No entanto, essas lâmpadas têm várias desvantagens, incluindo vida útil curta, acendimento lento e o risco de vazamentos tóxicos. Adicionalmente, elas emitem radiação potencialmente cancerígena e cataratogênica.
Dado esses desafios, a pesquisa está se voltando para lâmpadas UV-C de ondas mais curtas, cerca de 230 nm, pois representam um espectro menos invasivo para a pele e os olhos. Contudo, o desempenho das LEDs UV atuais é insuficiente e se degrada ainda mais quanto mais curta é a onda.
Uma alternativa às LEDs são as lâmpadas que utilizam feixes de elétrons emitidos por uma catodo frio, que injeta a potência elétrica no semicondutor [
1]. Diferentemente das LEDs, esta tecnologia não requer dopagem nem contato elétrico do semicondutor. Assim, dispositivos que incorporam feixes de elétrons e utilizam caixas quânticas de AlGaN como material ativo têm mostrado avanços notáveis para maior eficiência e potência. Estas caixas quânticas melhoram o desempenho devido ao seu alto rendimento.
Figura 1
(a) Imagem de microscopia eletrônica de varredura em campo claro de duas camadas de caixas quânticas em AlGaN. O arranjo das caixas quânticas é compacto, com uma altura de cerca de 1 nm e um diâmetro na base de 5-7 nm.
(b) Descrição esquemática da lâmpada UV-C alvo, contendo o semicondutor com caixas quânticas em AlGaN e a catodo frio em um invólucro a vácuo. Pesquisadores do CEA-Irig, em colaboração com o Institut Lumière Matière (Universidade de Lyon), o Institut Néel em Grenoble (CNRS) e o CEA-Léti, desenvolveram lâmpadas UV que incluem caixas quânticas em AlGaN.
Em ambientes de ultra-vácuo, os investigadores ajustam precisamente os parâmetros de crescimento por epitaxia de jatos moleculares dessas caixas no alcance UV de 230 a 270 nm (
Figura 1). As caixas quânticas alcançam uma eficiência quântica de cerca de 50% em toda a gama espectral. Além disso, elas exibem rendimentos energéticos superiores aos das LEDs AlGaN na janela espectral de 230 nm (
Figura 2) [
2].
Em resumo, estas pesquisas marcam um marco importante no desenvolvimento de fontes para a desinfecção UV-C eficaz e segura. As inovações incluem uma seleção espectral mais restrita [
3] e a melhoria na eficiência de extração de luz. Além disso, novas concepções de lâmpadas de desinfecção UV que integram um catodo, produzindo vários miliwatts de corrente para uma vida útil mais longa, estão sendo estudadas.
Figura 2
Espectros de emissão de catodoluminescência (CL) de amostras de caixas quânticas com diferentes concentrações de alumínio nas caixas.
[1] Cuesta S, Harikumar A and Monroy E.
Electron beam pumped light emitting devices.
Journal of Physics D: Applied Physics 2022.
[2] Cañas J, Harikumar A, Purcell S T, Rochat N, Grenier A, Jannaud A, Bellet-Amalric E, Donatini and Monroy E.
AlGaN/AlN Stranski-Krastanov quantum dots for highly efficient electron beam pumped emitters: The role of miniaturization and composition to attain far UV-C emission.
ACS Photonics 2023.
[3] Cañas J, Rochat N, Grenier A, Jannaud A, Saghi Z, Rouvière JL, Bellet-Amalric E, Harikumar A, Bougerol C, Rigutti L and Monroy E.
Effect of extended defects on AlGaN QDs for electron-pumped UV-emitters.
ACS Nano 2024.
Fonte: CEA IRIG