Een vijfde van het wereldwijde elektriciteitsverbruik is gebaseerd op verlichting; efficiënte en stabiele witlichtemissie met enkelvoudige materialen is ideaal voor toepassingen. Fotonenemissie die het gehele zichtbare spectrum bestrijkt is, echter, moeilijk te bereiken met een enkel materiaal. Metaalhalogenide perovskieten, bijvoorbeeld, uitstekende emissie-eigenschappen hebben maar lood bevatten, en daardoor een onbevredigende stabiliteit opleveren. Een nieuw rapport gepubliceerd door Jiajun Luo en collega's beschrijft een loodvrije dubbele perovskiet die een stabiele en efficiënte emissie van wit licht vertoonde. In zijn werkingsmechanisme, het materiaal produceerde zelfgevangen excitonen (STE's) als gevolg van Jahn-Teller-vervorming van de AgCl ₆ octaëder in de aangeslagen toestand van het complex, waargenomen bij het onderzoeken van exciton-fononkoppeling in het kristalrooster. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Natuur .

Witlichtemissie van een enkele emitterlaag is van belang in verlichtingstoepassingen vanwege de eenvoud in vergelijking met meerdere emitters. Typisch, breedband- en witlichtemissies zijn afkomstig van zelfgevangen excitonen (STE's) die bestaan ​​in halfgeleiders met gelokaliseerde dragers en een zacht rooster. De auteurs concentreerden zich op de dubbele perovskiet Cs ₂ AgInCl ₆ als een veelbelovend materiaal dat warm wit licht uitstraalt vanwege het brede spectrum en volledig anorganisch, loodvrije natuur. De studie optimaliseerde de legering om Cs . te vormen ₂ (Ag _0,6 nee _0,4 )InCl ₆ met een klein percentage bismut-doping om meer dan 1000 uur warm wit licht uit te zenden met verhoogde kwantumefficiëntie. Materialen voor verlichtingstoepassingen kunnen worden gedefinieerd als materialen die een "warm" wit licht uitstralen voor binnentoepassingen en "koud" wit licht dat het zichtbare gebied van het zonnespectrum benadert. In de studie, Luo et al probeerden eerst de oorsprong van breedbandemissies in Cs . te begrijpen ₂ AgInCl ₆ met behulp van wiskundige modellering en computationele studies om het rooster te ontspannen en zelfgevangen excitonen (STE's) weer te geven om exciton-fononkoppeling te onderzoeken. Dergelijke systemen zullen van fundamenteel belang zijn voor de ontwikkeling van de volgende generatie energie-efficiënte en kosteneffectieve verlichtings- en displaytechnologieën.

Een zelfgevangen exciton (STE) wordt gedefinieerd als een gebonden elektron-gat-paardrager die de luminescentie dramatisch kan verbeteren, energietransport en roosterdefectvorming in het kristal. De onderzoekers ontdekten dat STE's in de dubbele perovskiet Cs ₂ AgInCl ₆ , voortgekomen uit sterke Jahn-Teller vervorming van de integrale AgCl ₆ octaëder complex. De gevangen excitonen hadden een soortgelijk orbitaal karakter als de vrije excitonen, aangeeft pariteit verboden overgang (veroorzaakt door verstoring van het symmetriecentrum). De theoretische analyse toonde een extreem lage fotoluminescentie kwantumopbrengst (PLQY) voor pure Cs ₂ AgInCl _6. Om de PLQY te verbeteren voor praktische toepassingen als breedbandmaterialen, het systeem moest worden aangepast, specifiek door de pariteitsverboden overgang te verbreken om de symmetrie van de STE-golffunctie te manipuleren.

Een praktische benadering om dit te bereiken was via gedeeltelijke vervanging van Ag door een element dat de dubbele perovskietstructuur zou kunnen ondersteunen. De vervanger vereiste een duidelijk andere elektronische configuratie dan Ag, zoals een groep-IA-element of alkalimetaal. De wetenschappers onderzochten daarom het legeren van Na in Cs ₂ AgInCl ₆ om pure Cs . te vormen ₂ NaInCl _6, die breedbandemissie vertoonde bij vervanging, maar met een zeer lage efficiëntie vanwege de sterke fonon-emissie, optimalisatie van het Na-gehalte in het complex vereist.

Omdat roostermismatch tussen de twee perovskieten (Cs ₂ AgInCl ₆ enCs ₂ NaInCl ₆ ) was erg laag (0,3 procent) verwachtten de wetenschappers Na ⁺ opname zou plaatsvinden zonder nadelige defecten of fasescheiding. Voor de synthese, CsCl, NaCl, AgCl en InCl ₃ voorlopers werden gemengd in een HCl-oplossing in een hydrothermische autoclaaf. Het mengsel werd gedurende een bepaalde tijdsperiode verwarmd en afgekoeld om te resulteren in een uiteindelijk wit precipitaatproduct (90 procent opbrengst). De zuivere dubbele perovskietfase werd bevestigd met behulp van röntgendiffractiepatronen (XRD) van een reeks productsamenstellingen. De resultaten kwamen overeen met plasma-optische emissiespectrometrie (ICP-OES). De resultaten waren ook in overeenstemming met soortgelijke legeringsexperimenten die eerder met lithium (Li) werden uitgevoerd. De studie suggereerde dus een algemene trend voor door alkalimetaal geïnduceerde fotoluminescentieverbetering in dubbele perovskieten.

Fotoluminescentiespectra werden geregistreerd voor een reeks productpoeders door de temperatuur van de metingen te variëren. De auteurs optimaliseerden het Na-gehalte naast bismut (Bi ³⁺ ) doping om de kristalkwaliteit te verbeteren en langzame afkoeling om de hoogste PLQY (85 ± 5 procent) te verkrijgen die tot nu toe is geregistreerd voor witlicht-emitterende materialen om de optimaal gelegeerde Cs te vormen ₂ Ag _0,6 nee _0,4 InCl ₆ in de studie.

Fotoluminescentie-excitatie (PLE) spectra bevestigden de STE-oorsprong van de witte emissie om experimenteel de berekende tijdschaal van exciton-zelf-trapping te bevestigen. De Na perovskiet (Cs ₂ Ag _0,6 nee _0,4 InCl ₆ ) vertoonden lineaire afhankelijkheid van het foto-excitatievermogen. Er werden aanvullende theoretische tests gedaan om te begrijpen hoe PLQY varieerde als functie van het Na-gehalte.

Naarmate het Na-gehalte toenam, het overgangsdipoolmoment nam toe en nam vervolgens af om de samenstellingsafhankelijke PLQY die in het onderzoek werd waargenomen te ondersteunen. De elektronengolffunctie van de STE's werd ook vergeleken voor en na het legeren met Na. Het opnemen van Na brak de inversiesymmetrie van de Cs ₂ AgInCl ₆ rooster, het veranderen van de elektronengolffunctie op de Ag-site van symmetrisch naar asymmetrisch. Twee factoren droegen bij aan de afname van PLQY bij verdere toename van het Na-gehalte. De eerste was orbitale overlap tussen elektronen en gaten van de STE's bij verhoogd Na-gehalte. De tweede reden voor de waargenomen afname in PLQY met verhoogd Na was te wijten aan verhoogd niet-stralingsverlies in de Na-rijke legering.

Een belangrijke uitdaging voor verlichtingstoepassingen is de parameter van emissiestabiliteit. de Cs ₂ Ag _0,6 nee _0,4 InCl ₆ perovskiet vertoonde een stabiele emissie in het onderzoek met weinig emissiedegradatie. Toen het poeder op een kookplaat werd gegloeid, slechts minimaal fotoluminescentieverval van de witte emissie werd waargenomen, de auteurs stelden voor dat de waarnemingen te wijten kunnen zijn aan sterk gebonden excitonen en een bijna defectvrij rooster dat het uitdoven van fotoluminescentie verhinderde terwijl het weerstand bood aan thermische stress.

De wetenschappers ontwikkelden vervolgens een witte lichtgevende diode (LED) door de Na-perovskietpoeders direct op een commerciële ultraviolette LED-chip te drukken, zonder epoxy of silica inkapseling voor bescherming. Met de bijdrage van het blauwe licht van de UV-LED-chip demonstreerde het apparaat een kleurtemperatuur van 4, 054 K om te voldoen aan de eisen voor binnenverlichting. Wanneer de witte LED meer dan 1000 uur in de lucht heeft gewerkt, verwaarloosbare degradatie werd waargenomen. De uitstekende fotometrische prestaties in combinatie met de eenvoudige fabricage waren veelbelovend voor toepassingen met witte fosforverlichting.

Op deze manier, presenteerden de wetenschappers een nieuwe strategie om breedbandemissie te produceren die verband houdt met de STE's voor op één materiaal gebaseerde witlichtelektroluminescentie, waardoor prototype op dubbele perovskiet gebaseerde elektroluminescentie-apparaatvorming mogelijk wordt. Om de elektroluminescentieprestaties in de toekomst te verbeteren, verder onderzoek moet zich richten op het optimaliseren van de emitterende laagkwaliteit van de Cs ₂ Ag _0,6 nee _0,4 InCl ₆ films. De studie toonde aan dat het legeren van Na in Cs ₂ AgIn Cl ₆ brak de door pariteit verboden overgang zoals verwacht om de elektronische dimensionaliteit te verminderen en efficiënte witlichtemissie via STE's mogelijk te maken.

Het materiaal dat wit licht uitstraalt, vertoonde ook een goedkope fabricage en uitzonderlijke stabiliteit als een veelbelovend solid-state verlichtingsplatform. De auteurs zijn van mening dat dergelijke halide dubbele perovskieten een grote mogelijkheid bieden voor toepassingen in display en verlichting na verder onderzoek om hun volledige potentieel te realiseren. De resultaten zullen het onderzoek naar single-emitter-gebaseerde witlicht-emitterende fosforen en diodes stimuleren om de volgende generatie verlichtings- en weergavetechnologieën te genereren.

© 2018 Wetenschap X Netwerk