Thread by @ea_sato

CHEGOU! A Sem. temática do @FisicaThreadBr!

Como a Mec. Quântica afeta a vida das pessoas? Hoje falarei dela, a responsável por uma ENORME economia de energia no mundo e possivelmente o que permite que você leia essa thread: As lampadas LED!

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Muita gente acha que mecânica quântica é algo complicado e sem aplicações no mundo real. Elas não poderiam estar mais enganadas!

Segundo o Físico Leon Lederman, 23% do PIB dos EUA dependia de contribuições da quântica em 1987 e tenho certeza que este número só aumentou!

Uma das grandes responsáveis por isto são as lampadas LED, que nos últimos anos vem substituindo as lampadas incandescentes, mas também possibilita a criação de telas de televisão e celulares!

Quem ainda tem lampadas incandescente em casa? Até senti calor em pensar nelas!

LED é sigla para Diodos Emissores de Luz e são velhos conhecidos da industria eletrônica. Mas para entendê-los é necessário um pouco de mecânica quântica!

Segundo o modelo atômico de Bohr, elétrons não podem ter qualquer energia quando estão presos em um átomo. Existem valores específicos de energia, chamados níveis quantizados.

Para passar para um nível de energia mais alto, o elétron precisa absorver uma partícula de luz, isto é, um fóton.

E quando o elétron vai para um nível mais baixo, ele emite um fóton.

Estes fótons precisam ter uma energia EXATAMENTE igual a energia entre os níveis.

Quando juntamos vários átomos em um sólido, a história não é tão simples. Os níveis energéticos se combinam, os diferentes átomos afetam os mesmos elétrons e não temos níveis de energia tão bem definidos.

Então ao invés de níveis de energia, temos bandas de energia. As bandas são regiões contínuas de energia, sendo que algumas permitem a existência de elétrons e outras proíbem.

Isto da as propriedades elétricas de um material!

Duas bandas importantes são a banda de valência, isto é, a última banda de energia preenchida por elétrons e a banda de condução, a primeira banda desocupada depois da banda de valência.

Se não existe uma banda proibida entre estas duas bandas, temos um metal

Se existe uma grande banda proibida entre a banda de condução e valência, temos um isolante elétrico.

E no meio termo, temos um semicondutor, que consegue conduzir eletricidade, mas não tão bem quanto um metal.

O tamanho da banda proibida entre a banda de valência e condução é chamado de "Band Gap".

Perceba que se excitarmos um elétron da banda de valência até a banda de condução e esperarmos ele voltar, fará com que ele emita um fóton com energia igual ao band gap!

Isto significa que semicondutores são lampadas por natureza? E a resposta é NÃO!

Para excitar o elétron precisaríamos de um laser, e isso não seria muito eficiente....

Seria interessante se pudéssemos manipular o número de elétrons na camada de condução e o número de buracos na camada de valência. Onde estou chamando de buraco, espaços que podem ser ocupados por elétrons.

Isto é possível através de dopagem química!

Ao adicionar alguma impureza no cristal semicondutor, podemos produzir semicondutores tipo-n (com elétrons a mais) e tipo-p (com buracos a mais).

Juntando uma camada de semicondutor tipo-n e uma tipo-p, temos exatamente o que queriamos, uma banda de valência com buracos extras e uma banda de condução com elétrons extras!

Este tipo de junção PN dá origem a um dispositivo eletrônico chamado diodo.

Quando aplicamos tensão elétrica neste componente, os elétrons passam a ocupar o lugar dos buracos emitindo fótons nesse processo!

A cor da luz emitida depende do tamanho do band gap desse semicondutor! Assim temos os famosos LEDs!

Estes dispositivos são conhecidos desde a década de 60, então por que só agora adotamos eles como padrão de iluminação?

Como eu disse, a cor da luz depende do band gap e isto por sua vez depende do material usado para construir um LED.

LEDs vermelhos foram inventados na década de 60, LEDs verdes na década de 70s, porém demorou muito para conseguirmos desenvolver LEDs azuis!

Lembrando de teoria das cores, precisamos das cores vermelho,verde e azul para produzir luz branca e esse foi a GRANDE DIFICULDADE

LEDs azuis foram somente desenvolvidos na década de 90 e renderam o Nobel de Física de 2014 aos Físicos Akasaki, Amano e Nakamura!

Uma história interessante sobre essa descoberta é que Nakamura não estava pensando em revolucionar a Física como conhecemos na época.

No Japão existia a possibilidade de ganhar o título de PhD se você tivesse 5 papers públicados em revistas científicas, e ele estava atrás disso!

Boa parte das contribuições de Nakamura para a criação do LED azul, foram no começo da década de 90 quanto ele ainda era mestre em engenharia elétrica.

Ele só conseguiu seu PhD em 1994, quando já tinha 40 anos!

Atualmente lampadas LED são 12 vezes mais eficientes que lampadas incandescentes e duram cerca de 100 vezes mais!

Um grande avanço para a humanidade que gasta menos energia elétrica e fabrica menos lampadas!