Een doorbraak in het stabiliseren van nanokristallen introduceert een goedkope, energiezuinige lichtbron voor consumentenelektronica, detectoren en medische beeldvorming.

Light-emitting diodes (LED's) zijn een onbezongen held van de verlichtingsindustrie. Ze lopen efficiënt, geven weinig warmte af en gaan lang mee. Nu kijken wetenschappers naar nieuwe materialen om efficiëntere LED's met een langere levensduur te maken met toepassingen in consumentenelektronica, geneeskunde en veiligheid.

Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), Brookhaven Nationaal Laboratorium, Los Alamos National Laboratory en SLAC National Accelerator Laboratory melden dat ze stabiele perovskiet-nanokristallen hebben voorbereid voor dergelijke LED's. Ook Academia Sinica in Taiwan droeg bij aan de inspanning.

Perovskieten zijn een materiaalklasse die een bepaalde kristallijne structuur delen, waardoor ze lichtabsorberende en lichtgevende eigenschappen hebben die nuttig zijn in een reeks energie-efficiënte toepassingen, waaronder zonnecellen en verschillende soorten detectoren.

Perovskiet-nanokristallen waren de belangrijkste kandidaten als nieuw LED-materiaal, maar zijn bij testen onstabiel gebleken. Het onderzoeksteam stabiliseerde de nanokristallen in een poreuze structuur die een metaal-organisch raamwerk wordt genoemd, of kortweg MOF. Gebaseerd op aarde-overvloedige materialen en vervaardigd bij kamertemperatuur, deze LED's kunnen ooit goedkopere tv's en consumentenelektronica mogelijk maken, evenals betere gammastralingsapparatuur en zelfs zelfaangedreven röntgendetectoren met toepassingen in de geneeskunde, veiligheidsscans en wetenschappelijk onderzoek.

"We vielen het stabiliteitsprobleem van perovskietmaterialen aan door ze in MOF-structuren in te kapselen, " zei Xuedan Ma, wetenschapper in Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. "Onze studies toonden aan dat deze benadering ons in staat stelt om de helderheid en stabiliteit van de lichtgevende nanokristallen aanzienlijk te verbeteren."

Hsinhan Tsai, een voormalig J.R. Oppenheimer postdoc fellow bij Los Alamos, toegevoegd, "Het intrigerende concept van het combineren van perovskiet nanokristal in MOF was aangetoond in poedervorm, maar dit is de eerste keer dat we het met succes als emissielaag in een LED hebben geïntegreerd."

Eerdere pogingen om nanokristal-LED's te maken werden gedwarsboomd door de nanokristallen die teruggingen naar de ongewenste bulkfase, hun nanokristalvoordelen verliezen en hun potentieel als praktische LED's ondermijnen. Bulkmaterialen bestaan ​​uit miljarden atomen. Materialen zoals perovskieten in de nanofase zijn gemaakt van groepen van slechts enkele tot enkele duizenden atomen, en dus anders gedragen.

In hun nieuwe benadering het onderzoeksteam stabiliseerde de nanokristallen door ze te fabriceren in de matrix van een MOF, als tennisballen gevangen in een gaashekwerk. Ze gebruikten loden knopen in het raamwerk als metaalprecursor en halogenidezouten als organisch materiaal. De oplossing van halogenidezouten bevat methylammoniumbromide, die reageert met lood in het raamwerk om nanokristallen te assembleren rond de loodkern die in de matrix is ​​opgesloten. De matrix houdt de nanokristallen gescheiden, zodat ze geen interactie hebben en degraderen. Deze methode is gebaseerd op een oplossingscoatingbenadering, veel goedkoper dan de vacuümverwerking die wordt gebruikt om de anorganische LED's te maken die tegenwoordig veel worden gebruikt.

De MOF-gestabiliseerde LED's kunnen worden gefabriceerd om helderrode, blauw en groen licht, samen met verschillende tinten van elk.

"In dit werk, we hebben voor het eerst aangetoond dat perovskiet-nanokristallen die in een MOF zijn gestabiliseerd, heldere, stabiele LED's in verschillende kleuren, " zei Wanyi Nie, wetenschapper in het Center for Integrated Nanotechnologies in Los Alamos National Laboratory. "We kunnen verschillende kleuren maken, de kleurzuiverheid verbeteren en de kwantumopbrengst van fotoluminescentie verhogen, which is a measure of a material's ability to produce light."

The research team used the Advanced Photon Source (APS), a DOE Office of Science User Facility at Argonne, to perform time-resolved X-ray absorption spectroscopy, a technique that allowed them to spot the changes in the perovskite material over time. Researchers were able to track electrical charges as they moved through the material and learned important information about what happens when light is emitted.

"We could only do this with the powerful single X-ray pulses and unique timing structure of the APS, " said Xiaoyi Zhang, group leader with Argonne's X-ray Science Division. "We can follow where the charged particles were located inside the tiny perovskite crystals."

In durability tests, the material performed well under ultraviolet radiation, in heat and in an electrical field without degrading and losing its light-detecting and light-emitting efficiency, a key condition for practical applications such as TVs and radiation detectors.

This research appeared in Natuurfotonica , in a paper entitled "Bright and stable light emitting diodes made with perovskite nanocrystals stabilized in metal-organic frameworks." Argonne researchers contributing to this work include Xuedan Ma, Gary Wiederrecht and Xiewen Wen from the CNM, and Xiaoyi Zhang and Cunming Liu from the APS. Researchers from other institutions include Hsinhan Tsai, Shreetu Shrestha, Rafael A. Vilá, Wenxiao Huang, Cheng-Hung Hou, Hsin-Hsiang Huang, Mingxing Li, Yi Cui, Mircea Cotlet and Wanyi Nie.