Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hebben een nieuw alkali-koperhalogenide ontdekt, Cs ₅ Cu ₃ kl ₆ l ₂ , dat zuiver blauw licht uitstraalt. De combinatie van de twee halogenide-ionen, chloride en jodide, geeft het materiaal een kristallijne structuur gemaakt van zigzagketens en eigenaardige eigenschappen die resulteren in zeer efficiënte fotoluminescentie. Deze nieuwe verbinding kan gemakkelijk worden gebruikt om relatief goedkope en milieuvriendelijke witte LED's te produceren en de energie te verminderen die wordt gebruikt bij het opwekken van dagelijks kunstlicht.

Kunstlicht is goed voor ongeveer 20% van het totale elektriciteitsverbruik wereldwijd. Gezien de huidige milieucrisis, dit maakt de ontdekking van energiezuinige lichtemitterende materialen bijzonder belangrijk, vooral degenen die wit licht produceren. Over de afgelopen tien jaar, technologische vooruitgang in solid-state verlichting, het deelgebied van halfgeleideronderzoek dat zich bezighoudt met lichtemitterende verbindingen, heeft geleid tot het wijdverbreide gebruik van witte LED's. Echter, de meeste van deze LED's zijn eigenlijk een blauwe LED-chip gecoat met een geel lichtgevend materiaal; het uitgestraalde gele licht in combinatie met het resterende blauwe licht produceert de witte kleur.

Daarom, een manier om het energieverbruik van moderne witte LED-lampen te verminderen, is door betere blauw-emitterende halfgeleiders te vinden. Helaas, geen bekende blauw-emitterende verbindingen waren tegelijkertijd zeer efficiënt, gemakkelijk verwerkbaar, duurzaam, milieuvriendelijk, en gemaakt van overvloedige materialen - tot nu toe.

In een recente studie, gepubliceerd in Geavanceerde materialen , een team van wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology, Japan, ontdekte een nieuw alkali koperhalogenide, Cs ₅ Cu ₃ kl ₆ l ₂ , die aan alle criteria voldoet. In tegenstelling tot Cs ₃ Cu ₂ l ₅ , nog een veelbelovende blauw-emitterende kandidaat voor toekomstige apparaten, de voorgestelde verbinding heeft twee verschillende halogeniden, chloride en jodide. Hoewel materialen met gemengde halide al eerder zijn uitgeprobeerd, Cs ₅ Cu ₃ kl ₆ l ₂ heeft unieke eigenschappen die specifiek voortkomen uit het gebruik van I- en Cl-ionen.

Het blijkt dat Cs ₅ Cu ₃ kl ₆ l ₂ vormt een eendimensionale zigzagketen uit twee verschillende subeenheden, en de schakels in de keten worden uitsluitend overbrugd door I-ionen. De wetenschappers vonden ook nog een ander belangrijk kenmerk:de valentieband, die de energieniveaus van elektronen in verschillende posities van de kristallijne structuur van het materiaal beschrijft, is bijna vlak (van constante energie). Beurtelings, deze eigenschap maakt door foto gegenereerde gaten - positief geladen pseudodeeltjes die de afwezigheid van een foto-geëxciteerd elektron vertegenwoordigen - 'zwaarder'. Deze gaten hebben de neiging om geïmmobiliseerd te raken vanwege hun sterke interactie met I-ionen, en ze binden zich gemakkelijk met nabijgelegen vrije elektronen om een ​​klein systeem te vormen dat bekend staat als een exciton.

Excitonen veroorzaken vervormingen in de kristalstructuur. Net zoals het feit dat iemand moeite zou hebben om bovenop een hangend groot net te bewegen dat aanzienlijk vervormd is door zijn eigen gewicht, de excitonen worden op hun plaats gevangen door hun eigen effect. Dit is cruciaal voor de zeer efficiënte opwekking van blauw licht. Professor Junghwan Kim, die de studie leidde, legt uit:"De zelfgevangen excitonen zijn gelokaliseerde vormen van optisch geëxciteerde energie; de ​​uiteindelijke recombinatie van hun samenstellende elektron-gatpaar veroorzaakt fotoluminescentie, de emissie van blauw licht in dit geval."

Naast de efficiëntie, Cs ₅ Cu ₃ kl ₆ l ₂ heeft andere aantrekkelijke eigenschappen. Het is uitsluitend samengesteld uit overvloedige materialen, waardoor het relatief goedkoop is. Bovendien, het is veel stabieler in lucht dan Cs ₃ Cu ₂ l ₅ en andere alkali-koperhalogenideverbindingen. De wetenschappers ontdekten dat de prestaties van Cs ₅ Cu ₃ kl ₆ l ₂ degradeerde niet bij opslag in de lucht gedurende drie maanden, terwijl vergelijkbare lichtemitterende verbindingen na slechts enkele dagen slechter presteerden. Eindelijk, Cs ₅ Cu ₃ kl ₆ l ₂ heeft geen lood nodig, een zeer giftig element, waardoor het over het algemeen milieuvriendelijk is.

Prof. Kim concludeerde, "Onze bevindingen bieden een nieuw perspectief voor de ontwikkeling van nieuwe alkalikoperhalogenidekandidaten en tonen aan dat Cs ₅ Cu ₃ kl ₆ l ₂ zou een veelbelovend blauw-emitterend materiaal kunnen zijn." Het licht dat door dit team van wetenschappers wordt verspreid, zal hopelijk leiden tot efficiëntere en milieuvriendelijkere verlichtingstechnologie.