LED da Nobel: funzionamento ed applicazioni di interesse chimico-biologico

L’invenzione dei “diodi emettitori di luce blu”, ad opera dei giapponesi Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura, ha permesso la realizzazione di sorgenti LED bianche ad alta efficienza, basso consumo e lunga durata, e per questo è stata premiata col Nobel per la Fisica dall’Accademia Reale della Scienza di Svezia.

Ma cos’è il LED? Trova applicazione nella Chimica Biomolecolare?

Il LED (acronimo di Light Emitting Diode) è un particolare tipo di diodo fatto di materiale semiconduttore. I semiconduttori si chiamano così perché hanno una conducibilità intermedia tra i conduttori e gli isolanti. Il concetto di semiconduttore passa per quello di legame metallico: in un metallo gli elettroni  degli orbitali più esterni sono liberi di muoversi. Possiamo immaginare come se gli atomi legati fra loro condividessero tutti gli stessi orbitali e i livelli energetici siano fra loro sovrapposti. Pertanto è possibile pensare ad una banda, data dalla sovrapposizione di tutti gli orbitali atomici (o molecolari, se consideriamo un sistema molecolare), detta “banda di valenza”: questa è l’ultima banda occupata dagli elettroni del nostro sistema. Esiste poi un’altra banda, la “banda di conduzione”, che invece non contiene elettroni. Interposta tra questi vi è una terza banda, chiamata anche banda di intervallo, sede della emissione di luce. Un sistema in grado di condurre corrente elettrica, a seguito della promozione degli elettroni nella banda di conduzione, è un sistema conducibile. Quando si ha il passaggio di un elettrone e quindi di una carica negativa dalla banda di valenza a quella di conduzione, rimane una carica positiva, che viene chiamata “lacuna” o “buca”. In un sistema isolante il passaggio dalla banda di valenza a quella di conduzione non è semplice vista l’elevata distanza energetica (alcuni elettronvolt). Un esempio classico di isolante è l’ossido di silicio, SiO2.

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In un materiale conduttore le due bande sono addirittura sovrapposte e per tale motivo il passaggio dell’elettrone da una banda all’altra è facile. Un semiconduttore si trova in una condizione intermedia. La differenza energetica tra le due bande è intorno ad 1 elettronvolt (vedi tabella in basso). Un semiconduttore quindi non conduce di per sé corrente (si comporta come un isolante), ma se viene somministrato il minimo di energia che serve può divenire conduttore. Esempi di semiconduttori sono germanio, silicio, arseniuro di gallio, tellurio di gallio ed anche il nitruro di gallio, quest’ultimo scelto dai freschi vincitori del premio Nobel.

I semiconduttori si dividono in intrinseci ed estrinseci: si definisce semiconduttore intrinseco quel sistema isolate in grado di comportarsi da conduttore per semplice riscaldamento, che rende possibile il superamento della barriera energetica. Un semiconduttore estrinseco conduce invece corrente anche se non viene riscaldato.

L’estrinsecità si ottiene attraverso l’introduzione di impurezze (il cosiddetto drogaggio) nel semiconduttore intrinseco che ne modificano le proprietà. Se nella banda di valenza sono già presenti lacune o se nel sistema è presente un’altra specie atomica che occupa un livello energetico a metà strada tra quello della banda di valenza e quella di conduzione, viene facilitato il passaggio degli elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione, poiché in pratica è stato ridotto il gap di energia.

Per esempio, la presenza di piccolissime impurezze nel silicio fanno sì che esso abbia un leggero sbilanciamento di carica e che le sue proprietà di semiconduzione vengano alterate. Esistono diverse specie droganti che hanno nell’ultimo orbitale occupato più o meno elettroni rispetto al silicio e sono pertanto in grado di indurre uno sbilanciamento. Complessivamente le specie droganti vengono classificate in:

  • droganti di tipo n, se presentano più elettroni del silicio nell’orbitale di valenza (per esempio fosforo e arsenico)
  • droganti di tipo p, se presentano meno elettroni del silicio nell’orbitale di valenza (per esempio boro e gallio)

A seconda della specie drogante impiegata si può parlare di semiconduttore drogato di tipo p, in cui è presente un drogante di tipo p e il sistema ha un eccesso di cariche positive, o di semiconduttore drogato di tipo n, in cui è presente un drogante di tipo n e il sistema ha più cariche negative.

 

Abbiamo detto che il LED è un diodo. Nello specifico, un diodo a giunzione. Una domanda che potreste farmi allora è: come si ottiene il diodo a giunzione? A partire da due semiconduttori in silicio, uno drogato di tipo n ed uno drogato di tipo p, messi a contatto fra loro. Di fatto abbiamo un interfaccia, p-n. Se applichiamo una differenza di potenziale con polarizzazione diretta le lacune andranno verso il polo negativo e gli elettroni verso quello positivo. Lacune ed elettroni tendono così ad incontrarsi neutralizzando lo sbilanciamento. L’applicazione della differenza di potenziale, inoltre, fa sì che si generino continuamente nuove lacune nella zona p ed elettroni nella zona n. Il risultato che si ottiene è la conduzione di corrente elettrica che cresce esponenzialmente all’aumentare della tensione applicata.

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Figura: Emissione di luce nella giunzione p-n (Autore: User:S-kei, Source: File:PnJunction-LED-E.PNG )

Il diodo ad emissione di luce, più conosciuto con l’acronimo LED,  fa sostanzialmente questo. Il rilassamento energetico che si ha nel momento in cui le lacune incontrano gli elettroni è tale per cui la differenza di energia tra i livelli sia equivalente a quella di una radiazione nel visibile: all’interfaccia p-n avviene la neutralizzazione e conseguente emissione di fotoni, la cui lunghezza d’onda dipenderà dalla differenza di energia tra la banda di valenza e la banda di conduzione.

I LED possono avere differente composizione, per esempio Fosfuro di Gallio, Arseniuro di Alluminio, Fosfuro di Indio oppure sono leghe come l’Arseniuro di Alluminio-Gallio.  Ciascun semiconduttore emette fotoni (luce) di una sola e specifica lunghezza d’onda o comunque di un intervallo molto ristretto, quindi l’energia ad essi associata (e il colore della radiazione) sarà pure caratteristica del tipo di semiconduttore.

ImmagineFigura: La struttura del LED blu. Illustration: © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences (via Le Scienze)

Per la loro natura e per i vantaggi in termini di costo, durata ed efficienza, i dispositivi LED possono essere (e vengono sempre più spesso) impiegati come sorgente di luce per fotometri e spettrofotometri, strumenti che permettono di analizzare le interazioni luce-materia per fare studi quantitativi o qualitativi.

Potremmo anche pensare di realizzarne uno in casa: immaginiamo, a titolo di esempio, di voler determinare la concentrazione di ferro in una soluzione contenente una molecola che si comporta da legante per questo metallo. Ferro e legante reagiscono a formare un complesso che impartisce alla soluzione un colore. La presenza della colorazione indica che il complesso assorbe radiazione che cade nel visibile. L’intensità del colore (così come l’assorbanza ad una specifica lunghezza d’onda) dipende dalla concentrazione del ferro. Come si fa a misurare l’assorbimento della radiazione da parte della soluzione? Concettualmente, senza entrare nei dettagli, dovremmo semplicemente disporre di

  • una sorgente che emette la radiazione alla lunghezza d’onda corrispondente al picco di assorbimento del complesso;
  • la soluzione contenente il complesso;
  • un rivelatore, ossia un particolare tipo di fotoresistenza, chiamato trasduttore, che invia in un circuito un segnale elettrico proporzionale all’intensità della radiazione che ha eventualmente attraversato il campione.

Uno strumento del genere si chiama Fotometro perché ci informa su come si comporta la soluzione rispetto alla singola radiazione incidente. Nel caso del fotometro, siamo noi a scegliere quale singola radiazione (a lunghezza d’onda specifica) inviare alla soluzione.

Per costruire uno Spettrofotometro utilizziamo, invece, una sorgente di luce che emette uno spettro di radiazioni elettromagnetiche (la luce bianca contiene tutto lo spettro delle radiazioni nel range del visibile) e un selettore di lunghezze d’onda (detto filtro o monocromatore) che si apre ad intervalli di tempo arbitrari, interposto tra la sorgente e il campione. Con uno spettrofotometro possiamo ricavare lo spettro di assorbimento perché man mano che il filtro fa passare tutte le radiazioni visibili a diversa lunghezza d’onda, rileviamo una risposta in termini di assorbanza, che riportiamo graficamente in funzione della lunghezza d’onda incidente. La misura dell’assorbanza verrà poi utilizzata per risalire alla concentrazione di ferro in soluzione.

Per entrambi gli strumenti potremo utilizzare come sorgenti di radiazione luminosa LED della lunghezza d’onda (o spettro di lunghezza d’onda), intensità e potenza di interesse.

Non solo analisi complessometriche. Naturalmente, fotometri, spettrofotometri, ma anche gli strumenti che misurano l’emissione in fluorescenza delle molecole, fluorimetri e spettrofluorimetri, e che sono dotati di sorgenti LED, possono essere utilizzati (ed infatti si stanno affacciando sul mercato) per applicazioni più di tipo biologico, come ad esempio dosaggio di acidi nucleici o di proteine, metodi ELISA per il dosaggio immunologico, citometria a flusso, saggi di vitalità o di morte cellulare.

 

Link di approfondimento sulla tecnologia LED (in particolare LED blu):

 

(Photo credit: Afrank99)