Las lámparas UV-C representan una gran innovación con la integración de cajas cuánticas nanométricas de nitruro de galio y aluminio. Garantizan una alta capacidad de desinfección en un rango de longitudes de onda que son inofensivas para el ser humano.
El bajo costo y la facilidad de uso de las lámparas de mercurio, que emiten a 254 nm, han sido clave para la adopción generalizada de la tecnología de desinfección UV. Sin embargo, estas lámparas tienen varios inconvenientes, incluyendo una vida útil corta, un encendido lento y el riesgo de fugas tóxicas. Además, su radiación puede ser potencialmente cancerígena y causar cataratas.
Ante estos desafíos, la investigación se orienta hacia lámparas en el UV-C lejano, alrededor de 230 nm, ya que es una gama espectral menos invasiva para la piel y los ojos. Sin embargo, el rendimiento de las LED UV actuales es insuficiente y se deteriora aún más cuando la longitud de onda es más corta.
Una alternativa a las LED son las lámparas con haz de electrones emitidos por una cátodo frío que inyecta la potencia eléctrica en el semiconductor [1]. A diferencia de las LED, esta tecnología no requiere de dopaje ni de contacto eléctrico con el semiconductor. Por consiguiente, los dispositivos que integran haces de electrones y utilizan cajas cuánticas de AlGaN como material activo han logrado importantes avances para mayor eficacia y potencia. Estas cajas cuánticas mejoran el rendimiento mediante su alta eficiencia.
Figura 1
(a) Imagen de microscopía electrónica de barrido en modo de campo claro de dos capas de cajas cuánticas de AlGaN. La disposición de las cajas cuánticas es compacta, con una altura de aproximadamente 1 nm y un diámetro en la base de 5-7 nm.
(b) Descripción esquemática de la lámpara UV-C objetivo, que contiene el semiconductor con cajas cuánticas de AlGaN, y el cátodo frío en un envase al vacío.
Investigadores del CEA-Irig, en colaboración con el Instituto de Luz y Materia (Universidad de Lyon), el Instituto Néel en Grenoble (CNRS) y el CEA-Léti, han desarrollado lámparas UV que incluyen cajas cuánticas de AlGaN.
En recintos de ultra-alto vacío, los investigadores ajustan con precisión los parámetros de crecimiento por epitaxia de haces moleculares de estas cajas en la gama UV de 230 a 270 nm (Figura 1). Las cajas cuánticas logran una eficiencia cuántica de aproximadamente el 50 % a lo largo de toda la gama espectral. Además, presentan rendimientos energéticos superiores a los de las LED AlGaN en la ventana espectral de 230 nm (Figura 2) [2].
En resumen, estas investigaciones marcan un hito importante en el desarrollo de fuentes para la desinfección UV-C efectiva y segura. Los avances incluyen una selección espectral más estrecha [3] y la mejora de la eficiencia de extracción de luz. Además, están en estudio nuevos diseños de lámparas de desinfección UV que incorporan un cátodo que produce varios milivatios de corriente para una vida útil prolongada.
Figura 2
Espectros de emisión de catodoluminiscencia (CL) de muestras de cajas cuánticas con diferentes concentraciones de aluminio en las cajas.
Referencias:
[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.
El bajo costo y la facilidad de uso de las lámparas de mercurio, que emiten a 254 nm, han sido clave para la adopción generalizada de la tecnología de desinfección UV. Sin embargo, estas lámparas tienen varios inconvenientes, incluyendo una vida útil corta, un encendido lento y el riesgo de fugas tóxicas. Además, su radiación puede ser potencialmente cancerígena y causar cataratas.
Ante estos desafíos, la investigación se orienta hacia lámparas en el UV-C lejano, alrededor de 230 nm, ya que es una gama espectral menos invasiva para la piel y los ojos. Sin embargo, el rendimiento de las LED UV actuales es insuficiente y se deteriora aún más cuando la longitud de onda es más corta.
Una alternativa a las LED son las lámparas con haz de electrones emitidos por una cátodo frío que inyecta la potencia eléctrica en el semiconductor [1]. A diferencia de las LED, esta tecnología no requiere de dopaje ni de contacto eléctrico con el semiconductor. Por consiguiente, los dispositivos que integran haces de electrones y utilizan cajas cuánticas de AlGaN como material activo han logrado importantes avances para mayor eficacia y potencia. Estas cajas cuánticas mejoran el rendimiento mediante su alta eficiencia.
Figura 1
(a) Imagen de microscopía electrónica de barrido en modo de campo claro de dos capas de cajas cuánticas de AlGaN. La disposición de las cajas cuánticas es compacta, con una altura de aproximadamente 1 nm y un diámetro en la base de 5-7 nm.
(b) Descripción esquemática de la lámpara UV-C objetivo, que contiene el semiconductor con cajas cuánticas de AlGaN, y el cátodo frío en un envase al vacío.
Investigadores del CEA-Irig, en colaboración con el Instituto de Luz y Materia (Universidad de Lyon), el Instituto Néel en Grenoble (CNRS) y el CEA-Léti, han desarrollado lámparas UV que incluyen cajas cuánticas de AlGaN.
En recintos de ultra-alto vacío, los investigadores ajustan con precisión los parámetros de crecimiento por epitaxia de haces moleculares de estas cajas en la gama UV de 230 a 270 nm (Figura 1). Las cajas cuánticas logran una eficiencia cuántica de aproximadamente el 50 % a lo largo de toda la gama espectral. Además, presentan rendimientos energéticos superiores a los de las LED AlGaN en la ventana espectral de 230 nm (Figura 2) [2].
En resumen, estas investigaciones marcan un hito importante en el desarrollo de fuentes para la desinfección UV-C efectiva y segura. Los avances incluyen una selección espectral más estrecha [3] y la mejora de la eficiencia de extracción de luz. Además, están en estudio nuevos diseños de lámparas de desinfección UV que incorporan un cátodo que produce varios milivatios de corriente para una vida útil prolongada.
Figura 2
Espectros de emisión de catodoluminiscencia (CL) de muestras de cajas cuánticas con diferentes concentraciones de aluminio en las cajas.
Referencias:
[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.
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