Universiteit van Californië, Berkeley, wetenschappers hebben een blauwe lichtgevende diode (LED) gemaakt van een trendy nieuw halfgeleidermateriaal, halide perovskiet, het overwinnen van een grote belemmering voor het gebruik van deze goedkope, gemakkelijk te maken materialen in elektronische apparaten.

In het proces, echter, de onderzoekers ontdekten een fundamentele eigenschap van halide-perovskieten die een barrière kan vormen voor hun wijdverbreide gebruik als zonnecellen en transistors.

Alternatief, deze unieke eigenschap kan een hele nieuwe wereld voor perovskieten openen die veel verder gaat dan die van de huidige standaard halfgeleiders.

In een artikel dat op 24 januari in het tijdschrift verschijnt wetenschappelijke vooruitgang , UC Berkeley-chemicus Peidong Yang en zijn collega's laten zien dat de kristalstructuur van de halide-perovskieten verandert met de temperatuur, vochtigheid en de chemische omgeving, hun optische en elektronische eigenschappen verstoren. Zonder strikte controle van de fysieke en chemische omgeving, perovskiet-apparaten zijn inherent onstabiel. Dit is geen groot probleem voor traditionele halfgeleiders.

"Sommige mensen zeggen misschien dat dit een beperking is. Voor mij is dit is een geweldige kans, " zei Yang, de S. K. en Angela Chan Distinguished Chair in Energy in het College of Chemistry en directeur van het Kavli Energy NanoSciences Institute. "Dit is nieuwe fysica:een nieuwe klasse halfgeleiders die gemakkelijk opnieuw kan worden geconfigureerd, afhankelijk van de omgeving waarin je ze plaatst. Ze kunnen een heel goede sensor zijn, misschien een heel goede fotogeleider, omdat ze erg gevoelig zullen zijn in hun reactie op licht en chemicaliën."

Huidige halfgeleiders gemaakt van silicium of galliumnitride zijn zeer stabiel over een reeks temperaturen, voornamelijk omdat hun kristalstructuren bij elkaar worden gehouden door sterke covalente bindingen. Halogenideperovskietkristallen worden bij elkaar gehouden door zwakkere ionische bindingen, zoals die in een zoutkristal. Dit betekent dat ze gemakkelijker te maken zijn - ze kunnen uit een eenvoudige oplossing worden verdampt - maar ook gevoelig voor vochtigheid, hitte en andere omgevingsomstandigheden.

"Dit artikel gaat niet alleen om te laten zien dat we deze blauwe LED hebben gemaakt, " zei Yang, die een senior faculteitswetenschapper is bij het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en een UC Berkeley-hoogleraar materiaalwetenschap en -techniek. "We vertellen mensen ook dat we echt aandacht moeten besteden aan de structurele evolutie van perovskieten tijdens de werking van het apparaat, elke keer dat je deze perovskieten met een elektrische stroom bestuurt, of het nu een LED is, een zonnecel of een transistor. Dit is een intrinsieke eigenschap van deze nieuwe klasse halfgeleiders en beïnvloedt elk potentieel opto-elektronisch apparaat in de toekomst dat deze klasse materiaal gebruikt."

De blauwe diodeblues

Het is altijd een uitdaging geweest om halfgeleiderdiodes te maken die blauw licht uitstralen. zei Yang. De Nobelprijs voor de Natuurkunde 2014 werd toegekend voor de baanbrekende creatie van efficiënte blauwlicht-emitterende diodes uit galliumnitride. Diodes, die licht uitstralen wanneer er een elektrische stroom doorheen gaat, zijn opto-elektronische componenten in glasvezelcircuits en LED-lampen voor algemeen gebruik.

Sinds halideperovskieten voor het eerst brede aandacht trokken in 2009, toen Japanse wetenschappers ontdekten dat ze zeer efficiënte zonnecellen maken, deze gemakkelijk gemaakt, goedkope kristallen hebben onderzoekers enthousiast gemaakt. Tot dusver, rood- en groen-emitterende diodes zijn aangetoond, maar niet blauw. Halide perovskiet blauwe emitterende diodes zijn onstabiel geweest, dat wil zeggen, hun kleur verschuift naar langer, rodere golflengten bij gebruik.

Zoals Yang en zijn collega's ontdekten, dit komt door de unieke aard van de kristalstructuur van perovskieten. Halide perovskieten zijn samengesteld uit een metaal, zoals lood of tin, gelijke aantallen grotere atomen, zoals cesium, en driemaal het aantal halogenide-atomen, zoals chloor, broom of jodium.

Wanneer deze elementen in oplossing worden gemengd en vervolgens worden gedroogd, de atomen vormen samen een kristal, net zoals zout kristalliseert uit zeewater. Met behulp van een nieuwe techniek en de ingrediënten cesium, lood en broom, de UC Berkeley en Berkeley Lab-chemici creëerden perovskietkristallen die blauw licht uitstralen en beschoten ze vervolgens met röntgenstralen in het Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) om hun kristallijne structuur bij verschillende temperaturen te bepalen. Ze vonden dat, bij verwarming van kamertemperatuur (ongeveer 300 Kelvin) tot ongeveer 450 Kelvin, een gemeenschappelijke bedrijfstemperatuur voor halfgeleiders, de geplette structuur van het kristal breidde zich uit en ontsprong uiteindelijk in een nieuwe orthorhombische of tetragonale configuratie.

Aangezien het door deze kristallen uitgestraalde licht afhangt van de rangschikking van en afstanden tussen atomen, de kleur veranderde met de temperatuur, ook. Een perovskietkristal dat blauw licht (450 nanometer golflengte) bij 300 Kelvin uitstraalde, straalde plotseling blauwgroen licht uit bij 450 Kelvin.

Yang schrijft de flexibele kristalstructuur van perovskieten toe aan de zwakkere ionische bindingen die typisch zijn voor halogenide-atomen. Natuurlijk voorkomend mineraal perovskiet bevat zuurstof in plaats van halogeniden, waardoor een zeer stabiel mineraal ontstaat. Halfgeleiders op basis van silicium en galliumnitride zijn even stabiel omdat de atomen zijn verbonden door sterke covalente bindingen.

Perovskieten maken die blauw uitstralen

Volgens Yang, blauw-emitterende perovskietdiodes zijn moeilijk te maken omdat de standaardtechniek om de kristallen als een dunne film te laten groeien, de vorming van gemengde kristalstructuren bevordert, die elk op een andere golflengte uitzenden. Elektronen worden naar die kristallen met de kleinste bandgap geleid, dat wil zeggen, het kleinste bereik van niet-toegestane energieën - voordat ze licht uitstralen, die meestal rood is.

Om dit te voorkomen, Yang's postdoctorale fellows en co-eerste auteurs - Hong Chen, Jia Lin en Joohoon Kang - groeiden single, gelaagde kristallen van perovskiet en, het aanpassen van een low-tech methode voor het maken van grafeen, gebruikte tape om een ​​enkele laag uniform perovskiet af te pellen. Wanneer opgenomen in een circuit en gezapt met elektriciteit, de perovskiet gloeide blauw. De werkelijke blauwe golflengte varieerde met het aantal lagen octaëdrische perovskietkristallen, die van elkaar worden gescheiden door een laag organische moleculen die een gemakkelijke scheiding van perovskietlagen mogelijk maakt en ook het oppervlak beschermt.

Hoe dan ook, de SLAC-experimenten toonden aan dat de blauw-emitterende perovskieten hun emissiekleuren met de temperatuur veranderden. Deze eigenschap kan interessante toepassingen hebben, zei Yang. Twee jaar geleden, hij demonstreerde een raam gemaakt van halide perovskiet dat donker wordt in de zon en transparant wordt als de zon ondergaat en ook fotovoltaïsche energie produceert.

"We moeten op verschillende manieren denken om deze klasse halfgeleiders te gebruiken, " zei hij. "We moeten halide-perovskieten niet in dezelfde toepassingsomgeving plaatsen als een traditionele covalente halfgeleider, zoals silicium. We moeten ons realiseren dat deze materiaalklasse intrinsieke structurele eigenschappen heeft die het klaar maken om opnieuw te configureren. Daar moeten we gebruik van maken."