Light-emitting diodes (LED's) geven energie af in de vorm van licht wanneer elektronen en "gaten" (elektronenvacatures) recombineren als reactie op een aangelegde spanning. De afgelopen jaren is wetenschappers hebben hun aandacht gericht op LED's op basis van hybride organische (koolstofhoudende) en anorganische materialen met dezelfde kristalstructuur als het mineraal perovskiet. In tegenstelling tot de organische LED's die worden aangetroffen in sommige consumentenelektronica, waaronder televisie- en mobiele telefoonschermen, op perovskiet gebaseerde LED's zijn gemaakt van goedkope, aardrijke materialen zoals lood, halogenen zoals jodide of bromide, en positief geladen organische ionen. Bovendien, perovskieten kunnen in oplossing bij kamertemperatuur worden bereid, in tegenstelling tot de hoge temperaturen en vacuümomstandigheden die vereist zijn voor materialen in anorganische LED's.

Vooral, 2-D perovskieten ingeklemd tussen grote organische moleculen - die fungeren als afstandhouders in het perovskiet-kristalrooster - hebben veel belangstelling getrokken, niet alleen vanwege hun goedkope produceerbaarheid, maar ook vanwege hun verbeterde opto-elektronische eigenschappen. De hoge kleurzuiverheid, afstembaarheid, en helderheid van 2D gelaagde perovskieten maken ze veelbelovende materialen voor de volgende generatie verlichting en displays. In aanvulling, de externe kwantumefficiëntie van op perovskiet gebaseerde LED's - de verhouding tussen het aantal lichtdeeltjes dat door het apparaat wordt uitgezonden en het aantal elektronen dat door het apparaat gaat - is snel verbeterd.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van het Los Alamos National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in samenwerking met Brookhaven en Argonne National Laboratories heeft aangetoond dat de keuze voor een organische spacer een aanzienlijke invloed heeft op de prestaties van LED's. Door organische afstandhouders te gebruiken met atomen gerangschikt in een ring in plaats van een lineaire ketting, de wetenschappers verhoogden de efficiëntie van het apparaat met twee ordes van grootte (tot ongeveer 12 procent) en de helderheid met 70 keer, met een luminantie die die van typische groene organische LED's benadert.

"De grote organische afstandhouders snijden het 3D-perovskiet-kristalrooster in een 2-D gelaagde structuur bestaande uit grafeenachtige atoomplaten die elk minder dan een miljardste van een meter dik zijn, " legde Wanyi Nie uit, een wetenschapper bij het Center for Integrated Nanotechnologies (CINT) in Los Alamos.

In dit geval, de wetenschappers vergeleken LED's op basis van 2-D loodbromide perovskieten met alkyl (lineaire) of benzyl (ring) organische spacers. Om een ​​eerlijke vergelijking tussen de twee soorten apparaten te garanderen, Nie en Hsinhan (Dave) Tsai - een J. Robert Oppenheimer Distinguished Postdoc Fellow bij Los Alamos - synthetiseerden eerst hoogwaardige materialen en vervaardigden zeer kristallijne dunne films van de perovskieten onder dezelfde verwerkingsomstandigheden. Vervolgens, ze valideerden de kristallijne structuur en oriëntatie van de films door middel van elektronenmicroscopie en röntgenverstrooiing.

Volgende, het team bestudeerde de lichtemissie-eigenschappen (fotoluminescentie) van de films in Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN) en Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM).

Bij de CFN Advanced Optical Spectroscopy and Microscopy Facility, stafwetenschapper Mircea Cotlet en onderzoeksmedewerker Mingxing Li van de Soft and Bio Nanomaterials Group maten het fotoluminescentieverval van de films na excitatie met een lichtpuls.

"Tijdsopgeloste optische microscopie genoemd, met deze techniek kunnen we de snelheid meten waarmee elektronen en gaten recombineren, ons op zijn beurt informatie geeft over de levensduur van ladingdragers, ’ legde Cotlet uit.

"Onze metingen toonden aan dat door licht opgewekte dragers in de benzylperovskiet een vijf keer langere levensduur hebben dan die van de alkylperovskiet, " zei Li.

De verlengde levensduur van de drager verhoogde de luminescentie-efficiëntie, wat resulteert in een helderdere lichtemissie van de benzylperovskiet.

Bij CNM, stafwetenschapper Xuedan Ma paste hoge resolutie scanning lasermicroscopie toe om de ruimtelijke verdelingen van de fotoluminescentie van de films in kaart te brengen. Deze mapping onthulde dat de dunne films van benzylperovskiet een sterkere, meer uniforme emissie-intensiteit.

"We hebben behoorlijk substantiële verschillen waargenomen in de emissie-intensiteiten en distributies van de verschillende soorten films, die kunnen worden toegeschreven aan de verschillende dragerdynamiek in de materialen, " zei mam.

Om deze fotofysische eigenschappen te koppelen aan elektronische structuurdynamica, Het team van Xiaoyi Zhang bij Argonne's Advanced Photon Source (APS) voerde in de tijd opgeloste röntgenabsorptiespectroscopie uit.

"Deze methode is gebaseerd op de unieke timingstructuur en krachtige enkele röntgenpulsen van de APS om zeer kleine veranderingen te volgen die zeer snel plaatsvinden, "zei Zhang. "De in de tijd opgeloste röntgenabsorptietechniek zelf is zeer gevoelig voor de ladingsveranderingen, dus het kan ons absoluut vertellen waar de lading is en hoe het in het materiaal stroomt."

De spectra toonden alleen een verandering in de elektronische structuur op de bromideplaatsen van de benzylperovskiet.

"De gaten op de bromidesites komen niet meteen vast te zitten in ladingsvallen, of elektronische defecten in het materiaal, " legde Tsai uit. "De gaten kunnen wachten tot elektronen verschijnen en recombineren om licht te genereren in plaats van verspillende warmte. Dit fenomeen houdt verband met de 2-D kristalstructuur van het materiaal. de stijve, omvangrijke benzylring beïnvloedt de kristallijne pakking van de perovskiet, waardoor de ladingstransport- en recombinatieprocessen veranderen."

Terug in Los Alamos, Nie en Tsai assembleerden de dunne films tot LED's en maten de efficiëntie en helderheid van het apparaat. In een laatste demonstratie ze voerden een operationele levensduurtest uit van de op benzylperovskiet gebaseerde LED. Bij continu bedrijf met een hoge injectiestroom en in omgevingscondities, het apparaat duurde 25 minuten.

"Vergeleken met organische LED's, die 100 kan duren, 000 uur, 25 minuten lijkt misschien kort, " zei Nie. "Maar het is een verbetering als je bedenkt dat perovskieten nog maar net zijn onderzocht en dat ze gevoelig zijn voor verschillende externe omstandigheden zoals vochtigheid en aangelegde spanningen. Deze vooruitgang brengt ons een stap voorwaarts in de richting van stabielere op perovskiet gebaseerde LED's."

Bij vervolgonderzoeken het team zal bepalen of het inbedden van de 2D-perovskieten in een organische matrix degradatie kan helpen voorkomen. Ze zullen ook andere organische spacers onderzoeken die het ladingsrecombinatie-effect kunnen versterken.

"Vanwege hun goedkope produceerbaarheid en wenselijke opto-elektronische eigenschappen, 2-D perovskieten zijn niet alleen opwindend voor LED's, maar ook voor andere toepassingen, "zei Tsai. "Deze lichtemitterende materialen kunnen nuttig zijn voor medische röntgenbeeldvorming, optische communicatie, en laseren, bijvoorbeeld."