LEDs e Lasers – Nova Compreensão dos Perovskitas Pode Revolucionar Métricas de Desempenho

Cientistas estão aprofundando o estudo do perovskita para entender melhor este material, que tem vastas aplicações que abrangem eletrônica, armazenamento de energia, lasers, optoeletrônica, sensores de glicose e muito mais. Mas o que é exatamente?

Perovskita é um mineral natural composto de cálcio, titânio e oxigênio com a estrutura cristalina de CaTiO₃ ou tendo a fórmula ABX3. Foi descoberto pela primeira vez em 1839 na Rússia. Uma classe de materiais com a mesma estrutura cristalina do mineral perovskita também são conhecidos como materiais perovskita.

Fonte: Fabre Minerals

As propriedades físicas excepcionais, como comportamento ferroelétrico, dielétrico, piezoelétrico e piroelétrico, e as propriedades químicas, incluindo atividade catalítica e capacidade de transporte de oxigênio do perovskita, fazem dele uma das classes de estrutura mais importantes na ciência dos materiais. Isso o torna um candidato potencial para aplicações em células de combustível, dispositivos de memória e fotovoltaica.

Ele também pode ser usado em células solares para converter a luz solar em eletricidade, bem como para a obtenção de energia limpa e a degradação de poluentes orgânicos.

Dada a variedade de indústrias diferentes que o perovskita pode potencialmente ajudar a avançar, faz sentido que os cientistas estejam tentando compreendê-lo melhor.

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Entendendo o Perovskita ao Nível Atômico para Melhor Controle

Pesquisadores da North Carolina State University, com apoio da National Science Foundation, descobriram uma forma de criar perovskitas híbridas em camadas (LHPs) estudando-as ao nível molecular.

Essa descoberta permite um controle sem precedentes sobre as propriedades de emissão de luz das LHPs e pode levar a avanços significativos nas tecnologias de laser e LED. Também traz esperança para a engenharia de outros materiais para uso em dispositivos fotovoltaicos.

Perovskitas híbridas em camadas (LHPs), de acordo com a pesquisa, surgiram como semicondutores promissores para aplicações energéticas e fotônicas de próxima geração. Aqui, controlar a distribuição, tamanho e orientação dos poços quânticos (QWs) é extremamente importante.

LHPs são compostas por folhas muito finas de material semicondutor perovskita. Essas folhas são separadas entre si por finas camadas orgânicas “espaçadoras”.

Considerando que esses filmes finos de múltiplas folhas de perovskita e camadas “espaçadoras” podem converter eficientemente carga elétrica em luz, as LHPs têm despertado grande interesse da comunidade de pesquisa há anos. No entanto, ainda há compreensão limitada de como engenhá‑las para controlar suas características de desempenho.

Para entendê‑las, precisamos começar pelos poços quânticos, que são folhas de material semicondutor inseridas entre camadas “espaçadoras”.

São as camadas que se formam nas LHPs. E um poço quântico com duas átomos de espessura tem energia maior que aquele com cinco átomos de espessura.

Como a energia flui de estruturas de alta energia para estruturas de baixa energia ao nível molecular, precisamos ter poços quânticos de três e quatro átomos de espessura entre os poços de duas e cinco átomos, permitindo que a energia flua eficientemente.

“Basicamente você quer ter uma inclinação gradual para que a energia possa cascatar para baixo.”

– Kenan Gundogdu, co‑autor do artigo e professor de física na NC State

No entanto, as pessoas continuavam encontrando uma anomalia ao estudar LHPs. A anomalia é a distribuição de tamanho dos poços quânticos em uma amostra de LHP observada por difração de raios X, que difere do que é detectado usando espectroscopia óptica.

Aram Amassian, autor correspondente do artigo e professor de ciência e engenharia de materiais na NC State University, ilustrou como a difração pode indicar que os poços quânticos têm duas camadas de átomos e fazem parte de um cristal 3D em volume. Enquanto isso, a espectroscopia pode revelar que os poços quânticos têm duas, três e quatro camadas de átomos, além da presença da fase volumosa tridimensional.

Então, a equipe procurou respostas: Por que há essa desconexão entre os dois, e como os tamanhos e a distribuição dos poços quânticos nas LHPs podem ser controlados?

Por meio de experimentos, a equipe descobriu que nanoplateletes (NPLs) são o elemento chave. NPLs são folhas individuais de material perovskita que se formam espontaneamente na superfície da solução que os pesquisadores usaram para criar LHPs.

“Descobrimos que esses nanoplateletes essencialmente servem como moldes para materiais em camadas que se formam sob eles,” disse Amassian, observando que a espessura atômica dos nanoplateletes determina a espessura da LHP abaixo dele.

No entanto, os nanoplateletes não são estáveis, e sua espessura continua crescendo, adicionando novas camadas de átomos ao longo do tempo.

“Eventualmente, o nanoplatelete cresce tanto que se torna um cristal tridimensional.”

– Amassian

Portanto, a anomalia ocorreu porque a difração detecta o empilhamento de folhas, mas não os nanoplateletes, enquanto a espectroscopia óptica detecta folhas isoladas. Ele acrescentou:

“O que é empolgante é que descobrimos que podemos essencialmente interromper o crescimento dos nanoplateletes de forma controlada, ajustando essencialmente o tamanho e a distribuição dos poços quânticos em filmes de LHP.”

Ao fazer isso, os pesquisadores podem alcançar cascatas de energia excelentes, essenciais para alta reprodutibilidade, baixo limiar e fotostabilidade em ambiente.

Isso se traduz em o material ser rápido e altamente eficiente ao canalizar cargas e energia para aplicações de laser e LED.

Com os nanoplateletes desempenhando um papel crítico na formação de camadas de perovskita em LHPs, os pesquisadores verificaram se os NPLs podem ser usados para engenhar a estrutura e propriedades de outros materiais perovskita, incluindo aqueles usados em células solares e outras tecnologias fotovoltaicas.

“Descobrimos que os nanoplateletes desempenham um papel semelhante em outros materiais perovskita e podem ser usados para engenhá‑los, aprimorando a estrutura desejada, melhorando seu desempenho fotovoltaico e estabilidade.”

– Milad Abolhasani, co‑autor e Professor ALCOA de Engenharia Química e Biomolecular na NC State

Assim, a equipe aproveitou os NPLs para controlar a orientação das facetas dos perovskitas 3D e melhorar a estabilidade e eficiência de células solares de banda larga.

Usando Simulações Computacionais para Obter Insight Detalhado sobre Perovskitas

Células solares, ou células fotovoltaicas (PV), estão ganhando muita popularidade graças aos seus benefícios ambientais. A energia solar, afinal, é limpa, renovável e não produz emissões de gases de efeito estufa. A luz solar também está disponível em quantidades ilimitadas, facilitando sua captação com células solares.

Além disso, seus custos caíram significativamente, até 70% desde 2010, o que as torna acessíveis. Avanços tecnológicos melhoraram ainda mais seu desempenho e vida útil.

Com isso, espera‑se que o mercado global de células solares alcance $730,74 bilhões na próxima década.

Uma célula solar é basicamente um dispositivo que converte a luz solar diretamente em eletricidade. Para isso, utiliza materiais como o silício, mas os cientistas buscam materiais mais eficientes e estáveis, e os perovskitas são vistos como uma alternativa promissora.

Cientistas vêm trabalhando na tecnologia solar de perovskita há algum tempo, e os avanços levaram a quebras de recordes de eficiência. Em células solares, os perovskitas trabalham junto com o silício para aproveitar mais do espectro solar e, assim, gerar mais eletricidade por célula.

Agora, usando simulações computacionais e aprendizado de máquina, pesquisadores da Chalmers University of Technology na Suécia conseguiram obter novos insights sobre como os materiais perovskita funcionam para projetar dispositivos optoeletrônicos eficientes e estáveis.

O aprendizado de máquina tem ganhado muita tração na comunidade científica, pois os pesquisadores o utilizam para estudar sistemas maiores do que era possível com os métodos padrão e por períodos mais longos.

Assim, a equipe de pesquisa estudou uma série de materiais perovskita 2D, que são mais estáveis que os 3D.

Mapearam o material em simulações computacionais e depois o submeteram a diferentes cenários para obter uma ideia detalhada do que levou aos resultados em um experimento. A equipe conseguiu obter uma visão muito mais ampla e detalhada do que antes, o que é especialmente importante aqui porque, nas camadas muito finas desse material, cada camada se comporta de forma diferente, sendo extremamente difícil de detectar experimentalmente.

O professor Paul Erhart, membro da equipe de pesquisa, ajudou a obter um “insight muito maior sobre como os perovskitas 2D funcionam.”

Em materiais perovskita 2D, há camadas inorgânicas empilhadas umas sobre as outras e separadas por moléculas orgânicas.

“O que descobrimos é que você pode controlar diretamente como os átomos nas camadas superficiais se movem através da escolha dos ligantes orgânicos e como isso afeta os movimentos atômicos nas profundezas das camadas de perovskita. Como esse movimento é crucial para as propriedades ópticas, é como um efeito dominó.”

– Paul Erhart

O insight considerável, segundo a co‑autora, oferece a oportunidade de entender de onde vem a estabilidade dos materiais perovskita 2D.

“(Isso pode ajudar a prever) quais ligantes e dimensões podem tornar o material simultaneamente mais estável e mais eficiente.”

– Co‑autora Julia Wiktor

No próximo passo, a equipe “passará para sistemas ainda mais complexos e, em particular, interfaces que são fundamentais para a função dos dispositivos,” acrescentou Wiktor.

Avanços em Tecnologias de Laser e LED

Tem havido muito desenvolvimento nos perovskitas graças ao seu vasto potencial em vários campos de alta tecnologia, incluindo geração de energia limpa via células solares, dispositivos optoeletrônicos como fotodetectores e sensores, e dispositivos de memória.

Mais importante ainda, o avanço na compreensão dos materiais perovskita e a pesquisa sobre LHPs podem ser um divisor de águas para dispositivos laser de próxima geração, onde precisão e eficiência são cruciais, e para a tecnologia LED, que tem implicações para telas, iluminação e tecnologias avançadas de exibição.

Ao ajustar finamente esses materiais, podemos obter lasers mais eficientes com maior fotostabilidade e LEDs de alta luminosidade com consumo de energia reduzido.

No mundo da tecnologia em rápida evolução, lasers e LEDs se tornaram componentes fundamentais em uma variedade diversificada de indústrias: comunicações, dispositivos médicos, manufatura e iluminação de baixo consumo energético.

Em termos simples, essas tecnologias transformaram a forma como interagimos com o mundo moderno. As mais recentes descobertas no uso de perovskitas e estruturas de poços quânticos são apenas uma das muitas áreas que os cientistas estão explorando para avançar a tecnologia de laser e LED.

Aqui estão alguns avanços recentes em tecnologias de laser e LED:

Diodos laser prometem redução de custos, maior emissão de luz, melhor alcance do feixe e eficiência. Devido a esses benefícios, eles estão se tornando um componente crucial de armazenamento óptico de dados. A miniaturização dos diodos laser também levou a avanços em sistemas LiDAR para veículos autônomos.

Lasers ultrarrápidos, por sua vez, emitem pulsos na faixa de femtossegundos, que é um quadrilhão de um segundo. Isso permite o processamento preciso de materiais sem causar danos térmicos e, como tal, está sendo cada vez mais usado em cirurgias médicas e pesquisas científicas, particularmente para estudar fenômenos a nível molecular e atômico.

Ao incorporar aprendizado de máquina, IA e sensores, lasers mais avançados estão sendo criados que operam autonomamente, aumentam a eficiência e são mais precisos.

Impressão 3D habilitada por laser, na qual uma fonte laser é usada para fundir seletivamente materiais e criar objetos complexos, é outra tendência líder no campo da tecnologia laser. Na manufatura aditiva, lasers de fibra, em particular, estão ganhando popularidade graças ao seu alto poder, eficiência e capacidade de entregar um feixe a longas distâncias com perda mínima.

Lasers também estão sendo usados cada vez mais para gravação. Para esse propósito, todos os tipos de lasers, de fibra, CO₂ e cristal a lasers de diodo e lasers de estado sólido bombeados por diodo, estão sendo usados. Em um caso, pesquisadores da Flinders University modificaram superfícies com lasers de baixa potência — que normalmente exigem lasers de alta potência e caros para armazenamento de dados.

Em outro estudo, relatamos que pesquisadores expuseram um material não magnético a radiação laser de alta frequência para produzir um efeito magnético à temperatura ambiente, o que tem potencial para abrir caminho a computadores mais eficientes em energia e mais rápidos, revolucionando a eletrônica.

Novos dispositivos laser tornaram‑se tão avançados que agora podem analisar a pele de uma pessoa em tempo real. Eles ainda permitem o direcionamento preciso de áreas específicas. O laser de holmio (YAG), que é um dos lasers mais notáveis no campo da urologia, foi recentemente aprimorado com tecnologia de modulação de pulso. Essa nova tecnologia permite modos pulsados e de onda contínua.

A evolução dos lasers também nos deu microlasers, que são altamente personalizáveis e oferecem forte confinamento óptico e interações luz‑matéria aprimoradas.

No cenário de LED, a vida útil aumentou drasticamente, contribuindo para economia de energia.

A aplicação da tecnologia LED está ganhando particularmente impulso na iluminação automotiva, onde sua melhor visibilidade, eficiência energética e durabilidade aumentam a segurança. Enquanto isso, na iluminação pública, os LEDs oferecem iluminação mais brilhante e economias de energia significativas.

Aqui, a nanotecnologia está mostrando potencial para impactar significativamente a eficiência dos LEDs. Pontos quânticos são cristais extremamente pequenos que contêm propriedades únicas que podem ser sintonizadas para emitir luz ao longo de todo o espectro visível, proporcionando mais opções de cor. QD‑LEDs oferecem maior precisão de cor e brilho e, como tal, estão se tornando prevalentes em TVs e monitores.

Versões menores dos LEDs tradicionais, mini e micro‑LEDs, permitem resoluções mais altas, melhor contraste e eficiência energética em telas. Eles estão sendo integrados em TVs de próxima geração, dispositivos AR/VR e smartphones para oferecer brilho muito superior e tempos de resposta melhores que os OLEDs.

Ao integrar sensores e recursos de conectividade nos LEDs, os pesquisadores também estão criando sistemas de “iluminação inteligente” que ajustam brilho, cor e temporização com base nas preferências do usuário ou nas condições ambientais.

Empresas Liderando o Caminho

Agora, vamos analisar oportunidades de investimento nos campos de lasers, LEDs e energia limpa, que podem se beneficiar dos avanços nos materiais perovskita.

First Solar (FSLR ) é líder em tecnologia solar cujo foco está em soluções fotovoltaicas (PV) de filme fino. Com suas ações negociando a $207,75, alta de 19,35% no ano, sua capitalização de mercado é de $22 bi. No 2T24, a empresa reportou $1,01 bi em vendas enquanto o lucro líquido mais que dobrou para $349,4 mi. Na época, o CEO Mark Widmar disse que as empresas solares estavam enfrentando restrições de acesso a capital, pois os investidores aguardavam que as políticas ficassem mais claras para tomar decisões de financiamento.

Enquanto isso, Lumentum Holdings (LITE ) está envolvida no design e fabricação de lasers para comunicações, aplicações comerciais e industriais. Esta empresa, com capitalização de $4,7 bi, tem suas ações em alta de 31,21% no ano, negociando a $69,43.

Em seguida, Acuity Brands, Inc. (AYI ) é líder em sistemas de iluminação LED. Esta empresa, com capitalização de $9,38 bi, viu suas ações subirem 48,9% e atualmente negociam a $305.

Agora, vamos aprofundar em um dos principais desempenhadores do setor.

Coherent, Inc.

Um ator chave no campo da tecnologia baseada em laser, a Coherent fornece lasers para uma ampla gama de aplicações, incluindo processamento de materiais, eletrônica e biomedicina. Suas ações subiram mais de 132% este ano; até agora, negociam a $105,10, o que coloca sua capitalização de mercado em $15,6 bi. Seu EPS (TTM) é -1,85, e seu P/E (TTM) é -54,79.

Para o seu quarto trimestre fiscal, a empresa reportou $1,314 bi em receita e $4,708 bi para o ano completo encerrado em 30 de junho de 2024, com margens brutas GAAP de 32,9% e 30,9%, respectivamente. O crescimento, segundo Rich Martucci, CFO Interino, foi “principalmente impulsionado pela força contínua relacionada à IA em nosso negócio de transceptores Datacom”.

Recentemente, a empresa introduziu uma nova série de lasers de onda contínua (CW) de alta eficiência com feedback distribuído (DFB), projetados para oferecer 15% mais eficiência de potência que os padrões da indústria. Esses lasers atendem à demanda por maior largura de banda necessária por data centers focados em IA. No início deste ano, a Coherent também lançou um laser industrial picosegundo HyperRapid NXT que permite a fabricação ultraprecisa de células solares de filme fino.

Conclusão

Materiais perovskita são extremamente valiosos graças à sua eficiência, custo‑benefício, flexibilidade, finura, mobilidade e capacidade de absorção de luz. Como tal, obter uma compreensão melhor e mais profunda desses materiais, que avança a um ritmo rápido, pode nos ajudar a desbloquear novas possibilidades para tecnologias de laser e LED de próxima geração.

Ao controlar a estrutura e o comportamento dos poços quânticos, os pesquisadores estão pavimentando ainda mais o caminho para transferências de energia mais eficientes, maior estabilidade e propriedades de emissão de luz aprimoradas. Essas descobertas podem posicionar os perovskitas como agentes transformadores em uma variedade de indústrias e, à medida que a pesquisa avança, eles têm o potencial de revolucionar energia limpa, tecnologias de exibição e aplicações de laser, tornando‑os o foco da ciência dos materiais.

Clique aqui para uma lista das dez principais ações solares.