Nieuw onderzoek laat zien hoe een klasse van elektroluminescente materialen, belangrijke componenten van apparaten zoals led-verlichting en zonnecellen, kan worden ontworpen om efficiënter te werken. Gepubliceerd in Natuurfotonica , de gecombineerde inspanningen van experimentele en theoretische onderzoekers bieden inzicht in hoe deze en andere soortgelijke materialen in de toekomst voor nieuwe toepassingen kunnen worden gebruikt.

Dit werk was het resultaat van een samenwerking tussen Penn, Nationale Universiteit van Seoul, het Korea Advanced Institute of Science and Technology, de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, de Universiteit van Tennessee, de Universiteit van Cambridge, de Universitat de Valencia, het Harbin Instituut voor Technologie, en de Universiteit van Oxford.

Twee jaar geleden, Penn theoretisch chemicus Andrew M. Rappe bezocht het lab van Tae-Woo Lee aan de Seoul National University, en de discussie kwam al snel op de vraag of ze een theorie konden ontwikkelen om enkele van hun experimentele resultaten te verklaren. Het materiaal dat ze bestudeerden was formamidinium-loodbromide, een soort metaalhalogenide perovskiet nanokristal (PNC). Resultaten verzameld door de Lee-groep leken erop te wijzen dat groene LED's gemaakt met dit materiaal efficiënter werkten dan verwacht. "Zodra ik hun gegevens zag, Ik stond versteld van de correlatie tussen de structurele, optisch, en lichtefficiëntieresultaten. Er moest iets bijzonders aan de hand zijn, ' zegt Rappe.

PNC's zoals formamidinium-loodbromide worden gebruikt in fotovoltaïsche apparaten, waar ze energie kunnen opslaan als elektriciteit of elektrische stroom kunnen omzetten in licht in lichtgevende apparaten (LED's). In LED's, elektronen worden vervoerd van een elektronenrijk (n-type) gebied naar een hoog energieniveau in een elektronenarm (p-type) gebied, waar ze een lege staat van lagere energie vinden, of "gat, " om naar beneden te vallen en licht uit te stralen. De efficiëntie van een materiaal wordt bepaald door hoe goed het licht in elektriciteit kan omzetten (of omgekeerd), die afhangt van hoe gemakkelijk een aangeslagen elektron een gat kan vinden en hoeveel van die energie verloren gaat aan warmte.

Om de resultaten van de Lee-groep te begrijpen, Penn-postdoc Arvin Kakekhani begon samen te werken met Young-Hoon Kim en Sungjin Kim van de Seoul National University om een ​​rekenmodel te ontwikkelen van de onverwachte efficiëntie van het materiaal en om gerichte vervolgexperimenten te ontwerpen om deze nieuwe theorieën te bevestigen. "We hebben veel tijd besteed aan het verknopen van experiment en theorie om elke experimentele waarneming die we hebben te rationaliseren, " zegt Kakekhani over het onderzoeksproces.

Na maanden van ideeën uitwisselen en het verfijnen van potentiële theorieën, de onderzoekers ontwikkelden een theoretisch model met behulp van een methode die bekend staat als dichtheidsfunctionaaltheorie, een modelleringsaanpak die steunt op wiskundige theorieën uit de kwantummechanica. Hoewel DFT al vele jaren in het veld wordt gebruikt, de implementatie van deze theorie kan nu efficiënt de effecten van kleine, gedelokaliseerde kwantummechanische interacties, bekend als van der Waals-troepen, waarvan bekend is dat ze een belangrijke rol spelen in het gedrag van zachte materialen die vergelijkbaar zijn met de PNC's die in dit onderzoek zijn gebruikt.

Met behulp van hun nieuwe model, de onderzoekers ontdekten dat de PNC's efficiënter waren als de grootte van de kwantumstippen kleiner was, omdat de kans dat een elektron een gat vindt veel groter was. Maar omdat het verkleinen van een deeltje ook betekent dat de verhouding tussen oppervlak en volume moet worden vergroot, dit betekent ook dat er meer plaatsen langs het oppervlak van het materiaal zijn die vatbaar zijn voor defecten, waar energie van elektronen gemakkelijk verloren kan gaan.

Om beide uitdagingen aan te gaan, vonden de onderzoekers dat een eenvoudige chemische substitutie, het vervangen van formamidinium door een groter organisch kation genaamd guanidinium, maakte de deeltjes kleiner terwijl ook de structurele integriteit van het materiaal werd behouden door meer waterstofbruggen te laten vormen. Voortbouwend op deze legeringsbenadering, vonden de onderzoekers aanvullende strategieën om de efficiëntie te verbeteren, inclusief de toevoeging van zuren en aminen met een lange keten om oppervlakte-ionen te stabiliseren en de toevoeging van defectherstellende groepen om eventuele vacatures te "genezen".

Als theoretisch chemicus een ding dat Kakekhani opviel, was hoe goed de voorspellingen van het model en de experimentele gegevens op elkaar waren afgestemd, die hij deels toeschrijft aan het gebruik van een theorie waarin Van der Waals-krachten zijn verwerkt. "Je past geen parameters aan die de theorie specifiek maken voor het experiment, "zegt hij. "Het is meer als de eerste principes, en de enige kennis die we hebben is wat voor soort atomen de materialen hebben. Het feit dat we de resultaten voorspelden op basis van bijna pure wiskundige bewerkingen en kwantummechanische theorieën in onze computers, in nauwe overeenstemming met wat onze experimentele collega's in hun labs vonden, was spannend."

Hoewel de huidige studie specifieke strategieën biedt voor materialen die het potentieel hebben voor wijdverbreid gebruik als zonnecellen en LED's, deze strategie is ook iets dat meer algemeen zou kunnen worden toegepast op het gebied van materiaalwetenschap. "De vooruitgang van het internet der dingen en de drang naar opto-elektronische computers vereisen beide efficiënte lichtbronnen, en deze nieuwe op perovskiet gebaseerde LED's kunnen het voortouw nemen, ' zegt Rappe.

Voor Kakekhani, dit werk benadrukt ook het belang van gedetailleerde, theoriegestuurde inzichten voor het verkrijgen van een grondig begrip van een complexe stof. "Als je fundamenteel niet weet wat er aan de hand is en wat de achterliggende reden is, dan is het niet echt uitbreidbaar naar andere materialen, " zegt Kakekhani. "In deze studie, het was nuttig om die lange periode te hebben om theorieën uit te sluiten die niet echt werkten. Aan het einde, we vonden een heel diepe reden die zelfconsistent was. Het kostte veel tijd, maar ik denk dat het het waard was."