Um grupo de pesquisa liderado pelo Prêmio Nobel de 2014, Hiroshi Amano, no Instituto de Materiais e Sistemas para Sustentabilidade (IMaSS) da Universidade de Nagoya, no centro do Japão, em colaboração com a Asahi Kasei Corporation, conduziu com sucesso o primeiro laser de onda contínua em temperatura ambiente do mundo. – diodo laser ultravioleta (comprimentos de onda até a região UV-C).
Esses resultados, publicados na Applied Physics Letters, representam um passo em direção ao uso generalizado de uma tecnologia com potencial para uma ampla gama de aplicações, incluindo esterilização e medicina.
Desde que foram introduzidos na década de 1960 e após décadas de pesquisa e desenvolvimento, a comercialização bem-sucedida de diodos laser (LDs) foi finalmente alcançada para várias aplicações com comprimentos de onda que variam do infravermelho ao azul-violeta. Exemplos dessa tecnologia incluem dispositivos de comunicação óptica com LDs infravermelhos e discos Blu-ray usando LDs azul-violeta.
No entanto, apesar dos esforços de grupos de pesquisa em todo o mundo, ninguém conseguiu desenvolver LDs ultravioletas profundos. Um avanço importante só ocorreu depois de 2007 com o surgimento da tecnologia para fabricar substratos de nitreto de alumínio (AlN), um material ideal para o cultivo de filme de nitreto de gálio e alumínio (AlGaN) para dispositivos emissores de luz UV.
A partir de 2017, o grupo de pesquisa do professor Amano, em cooperação com a Asahi Kasei, empresa que fornecia substratos AlN de 2 polegadas, começou a desenvolver um LD ultravioleta profundo. No início, a injeção suficiente de corrente no dispositivo era muito difícil, impedindo o desenvolvimento de diodos laser UV-C.
Mas em 2019, o grupo de pesquisa resolveu com sucesso esse problema usando uma técnica de dopagem induzida por polarização. Pela primeira vez, eles produziram um LD ultravioleta-visível (UV-C) de comprimento de onda curto que opera com pulsos curtos de corrente. No entanto, a potência de entrada necessária para esses pulsos de corrente era de 5,2 W. Isso era muito alto para o laser de onda contínua porque a potência faria com que o diodo esquentasse rapidamente e parasse o laser.
Mas agora, pesquisadores da Universidade de Nagoya e da Asahi Kasei reformularam a estrutura do próprio dispositivo, reduzindo a potência de acionamento necessária para que o laser opere em apenas 1,1 W em temperatura ambiente. Verificou-se que dispositivos anteriores exigiam altos níveis de potência operacional devido à incapacidade de caminhos de corrente efetivos devido a defeitos de cristal que ocorrem na faixa de laser. Mas neste estudo, os pesquisadores descobriram que a forte tensão do cristal cria esses defeitos.
Por meio de uma adaptação inteligente das paredes laterais da faixa de laser, eles suprimiram os defeitos, alcançando um fluxo de corrente eficiente para a região ativa do diodo de laser e reduzindo a potência operacional.
A plataforma de cooperação industrial-acadêmica da Universidade de Nagoya, denominada Centro de Pesquisa Integrada de Eletrônica do Futuro, Instalações de Eletrônica Transformativa (C-TEFs), possibilitou o desenvolvimento da nova tecnologia de laser UV. Sob os C-TEFs, pesquisadores de parceiros como Asahi Kasei compartilham acesso a instalações de última geração no campus da Universidade de Nagoya, fornecendo a eles as pessoas e as ferramentas necessárias para construir dispositivos reproduzíveis de alta qualidade.
Zhang Ziyi, um representante da equipe de pesquisa, estava em seu segundo ano na Asahi Kasei quando se envolveu na fundação do projeto. “Eu queria fazer algo novo”, disse ele em uma entrevista. “Naquela época, todos presumiam que o diodo laser ultravioleta profundo era uma impossibilidade, mas o professor Amano me disse: ‘Chegamos ao laser azul, agora é a hora do ultravioleta’.”
Esta pesquisa é um marco na aplicação prática e no desenvolvimento de lasers semicondutores em todas as faixas de comprimento de onda. No futuro, os LDs UV-C poderão ser aplicados à saúde, detecção de vírus, medição de partículas, análise de gases e processamento a laser de alta definição.
“Sua aplicação à tecnologia de esterilização pode ser inovadora”, disse Zhang. “Ao contrário dos atuais métodos de esterilização por LED, que são ineficientes em termos de tempo, os lasers podem desinfetar grandes áreas em um curto espaço de tempo e em longas distâncias”. Essa tecnologia pode beneficiar especialmente cirurgiões e enfermeiras que precisam de salas de cirurgia esterilizadas e água da torneira.
Os resultados bem-sucedidos foram relatados em dois artigos na Applied Physics Letters.
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