Nel laboratorio “Semiconduttori e Proprietà Ottiche dei Solidi” del Dipartimento di Fisica dell’Università di Roma “La Sapienza” è stato realizzato un nuovo dispositivo luminescente. Abbiamo chiesto ad Andrea Frova, ordinario di Fisica generale presso lo stesso ateneo, di spiegarci in che cosa consiste l’esperimento.Il nitrofosfuro di gallio, un particolare semiconduttore, opportunamente bombardato con fasci di protoni, è capace di generare luce in almeno tre diversi colori dello spettro visibile, rivelandosi in pratica un piccolo semaforo a stato solido di alta stabilità e basso consumo. Il fosfuro di gallio – sigla chimica GaP – fa parte della famiglia dei semiconduttori composti detti III-V, costituiti da un metallo trivalente, quale il gallio o l’alluminio, e un metalloide pentavalente, quale l’arsenico o il fosforo o l’azoto – così come le loro possibili leghe. Questi materiali, che hanno una struttura cristallina identica a quella del silicio, il semiconduttore dei chip per computer, trovano importanti applicazioni nei dispositivi emettitori di luce, i Led appunto, ma anche i laser a semiconduttore impiegati oggi largamente come sorgenti luminose nella trasmissione su fibre ottiche e nei lettori di Cd e Dvd. Da sempre, per le esigenze della Tv e della fotografia a colori, un obiettivo dei costruttori di Led e laser è quello di disporre di emettitori di vari colori. A Berlino sono già in funzione, in via sperimentale, semafori costituiti da fitti mosaici di Led, di durata e affidabilità superiori a quelli dei semafori tradizionali (e consumo minore). Ognuno dei colori richiesti è prodotto da un diverso tipo di materiale, ma sono in corso ricerche per lo sviluppo di un materiale “tuttofare”, che semplificherebbe le fasi di produzione e i costi dei dispositivi.Mario Capizzi e Antonio Polimeni hanno messo a punto, nel nostro laboratorio, un fotoemettitore a base di fosfuro di gallio (GaP) contenente una piccola percentuale di azoto (N) – meno dell’uno per cento – in posizione sostitutiva di atomi di fosforo (P). Si può parlare di lega di nitrofosfuro di gallio e indicarla con la sigla chimica Ga(PN). Per luminescenza, il normale fosfuro di gallio emetterebbe luce nel verde, essendo l’energia di legame degli elettroni di valenza alquanto elevata, ciò che comporta emissione di fotoni di energia relativamente alta. Basta una piccola quantità di azoto – meno dell’uno per cento – perché l’energia di legame degli elettroni si riduca sensibilmente e così anche l’energia dei fotoni generati, che cadono nel rosso, come illustra il blocchetto di materiale posto in alto nella fotografia. La novità consiste nel bombardare il materiale con protoni di bassa energia – si usa un fascio di ioni idrogeno prodotto da un cannone ionico – un trattamento che riconduce l’energia di legame degli elettroni verso il valore che avrebbe nel semplice fosfuro di gallio GaP, come se l’idrogeno, penetrando in profondità e legandosi agli atomi di azoto, ne neutralizzasse l’influenza. Tale effetto è soltanto parziale se la dose di protoni è troppo bassa – si veda il blocchetto di materiale al centro nella fotografia – e in tal caso la luce emessa si sposta dal rosso al giallo; ma può divenire completo se solo la dose viene raddoppiata, come illustra il blocchetto in basso, che emette decisamente nel verde, quasi si trattasse di fosfuro di gallio normale. L’emissione è però molto più intensa, è stabile nel tempo e non sembra presentare tangibile deterioramento. Il risultato ottenuto dal nostro laboratorio sarà presentato alla “XXII International Conference on Defects in Semiconductors”, che si terrà in Danimarca il prossimo luglio. La fotografia mostra l’emissione di luce per fotoluminescenza da parte di tre blocchetti di nitrofosfuro di gallio Ga(PN), posti alla temperatura di 10 K: al naturale, in alto; pre-bombardato con diecimila miliardi di protoni per cm2, al centro, e con una dose doppia, in basso. La luce soffusa blu-violetta è un riflesso del fascio laser eccitante.
