Fósforos sostenibles a base de manganeso
Manganeso en lugar de tierras raras
Prácticamente todos los diodos emisores de luz que se utilizan hoy en día requieren fósforos basados en los llamados elementos de tierras raras, que son caros y difíciles de obtener. En un proyecto de investigación en colaboración entre la Universidad Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) y la Universidad de Innsbruck, unos químicos han demostrado que el elemento manganeso es, en principio, también adecuado para este tipo de aplicaciones. En la revista científica Angewandte Chemie, muestran que este método permite generar luz blanca a partir de un único fósforo a base de manganeso.
Los diodos emisores de luz (LED) son eficientes energéticamente y flexibles, lo que los convierte en una tecnología clave para la iluminación sostenible. Los actuales LED de luz blanca suelen constar de un LED semiconductor azul, cuya luz se convierte en luz verde y roja mediante dos capas de materiales fotoactivos. Combinando estos colores de luz se crea la luz blanca deseada.
Los fósforos utilizados en los LED actuales contienen casi todos elementos de tierras raras, como el europio o el cerio. Sin embargo, la obtención de estos elementos es costosa y sólo se extraen a gran escala en unas pocas regiones del mundo, principalmente en China. Esto presenta importantes desventajas estratégicas.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor adjunto Dr. Markus Suta (grupo de trabajo de Materiales Fotoactivos Inorgánicos de la HHU) y el profesor Dr. Hubert Huppertz (Departamento de Química General, Inorgánica y Teórica de la Universidad de Innsbruck) ha buscado ahora alternativas, más fáciles de conseguir y de manipular. El metal de transición manganeso (abreviado: Mn) -más concretamente, el doble ion de manganeso de carga positiva (abreviado: Mn2+)- les pareció prometedor. A diferencia de las tierras raras, el manganeso es mucho más abundante en la corteza terrestre, se extrae fácilmente de los minerales y es fácil de manipular.
¿Por qué no se ha utilizado ya el manganeso en los LED? El profesor Suta lo explica: "Una desventaja fundamental es la absorción altamente ineficiente del Mn2+, lo que significa que la luminiscencia decae con relativa lentitud. Por tanto, se necesitan altas densidades de potencia para lograr una luminosidad suficiente". En cambio, el ion Mn4+ ya se utiliza: emite luz roja de banda estrecha en fluoruros y se emplea sobre todo en pantallas de visualización. Sin embargo, la producción de los fósforos correspondientes requiere ácido fluorhídrico, lo que resulta problemático.
En la prestigiosa revista científica "Angewandte Chemie", los investigadores informan ahora sobre su examen de la luminiscencia -las propiedades de radiación- de un compuesto especial: del ion Mn2+ en los llamados litosilicatos alcalinos. El grupo de trabajo dirigido por el profesor Huppertz ya identificó hace varios años esta clase de compuestos como candidatos potencialmente prometedores para emisores de cian de banda estrecha para pantallas de visualización, aunque entonces todavía con el europio como emisor.
Profesor Suta: "A diferencia de los iones de europio, los iones de manganeso son mucho más pequeños y flexibles a la hora de seleccionar geometrías de coordinación específicas. Los iones Mn2+ emiten luz verde de banda estrecha en proximidad de cuatro átomos de oxígeno, pero emiten luz roja cuando están rodeados de seis a ocho átomos de oxígeno. Con los detalles estructurales adecuados, el brillo de la luminiscencia conserva un alto nivel de estabilidad térmica, lo cual es importante ya que los LED con este tipo de fósforos inorgánicos alcanzan temperaturas de funcionamiento de unos 150 °C".
El profesor Huppertz señala otra ventaja: "Junto con la luz azul del LED semiconductor, puede generarse así una luz blanca eficiente utilizando un único fósforo obtenido a partir de materias primas disponibles." Para lograrlo, actualmente se mezclan dos fósforos diferentes basados en el europio. Suta añade: "Esto ofrece la posibilidad de crear un LED emisor de luz blanca con amplia sintonizabilidad cromática".
Los investigadores subrayan que son necesarias más investigaciones para determinar las densidades de potencia necesarias para la excitación. El profesor Huppertz concluye: "Tenemos que ver si el brillo y el consumo de energía de un LED con un fósforo activado por manganeso basado en nuestro concepto puede competir realmente con los LED actuales".
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