Effektiv og stabil emission af varmt hvidt lys fra blyfri halogenid-dobbeltperovskitter

En femtedel af det globale elforbrug er baseret på belysning; effektiv og stabil emission af hvidt lys med enkelte materialer er ideel til applikationer. Fotonemission, der dækker hele det synlige spektrum er, imidlertid, svært at opnå med et enkelt materiale. Metalhalogenidperovskitter, for eksempel, har fremragende emissionsegenskaber, men indeholder bly, og giver derfor utilfredsstillende stabilitet. En ny rapport udgivet af Jiajun Luo og kolleger beskriver en blyfri dobbelt perovskit, der udviste stabil og effektiv udstråling af hvidt lys. I sin virkningsmekanisme, materialet frembragte selvfangede excitoner (STE'er) på grund af Jahn-Teller forvrængning af AgCl ₆ oktaeder i kompleksets ophidsede tilstand, observeret ved undersøgelse af exciton-phonon-kobling i krystalgitteret. Resultaterne er nu offentliggjort i Natur .

Emission af hvidt lys fra et enkelt emitterlag er af interesse i belysningsapplikationer på grund af dets enkelhed sammenlignet med flere emittere. Typisk, Bredbånds- og hvidlysemissioner stammer fra selvfangede excitoner (STE'er), der findes i halvledere med lokaliserede bærere og et blødt gitter. Forfatterne fokuserede på den dobbelte perovskit Cs ₂ AgInCl ₆ som et lovende materiale, der udsender varmt hvidt lys på grund af dets brede spektrum og uorganiske, blyfri natur. Undersøgelsen optimerede legeringen til at danne Cs ₂ (Ag _0,6 Na _0,4 ) InCl ₆ med en lille procentdel af bismuth-doping til at udsende varmt hvidt lys med øget kvanteeffektivitet i mere end 1000 timer. Materialer til belysningsapplikationer kan defineres som dem, der udsender et "varmt" hvidt lys til indendørs applikationer og "koldt" hvidt lys, der nærmer sig det synlige område af solspektret. I undersøgelsen, Luo et al. Forsøgte først at forstå oprindelsen til bredbåndsemissioner i Cs ₂ AgInCl ₆ ved hjælp af matematisk modellering og beregningsstudier til at slappe af gitteret og repræsentere selvfangede excitoner (STE'er) til at undersøge exciton-fonon-kobling. Sådanne systemer vil være grundlæggende for at konstruere den næste generation af energieffektive og omkostningseffektive belysnings- og displayteknologier.

En selvfanget exciton (STE) er defineret som en bundet elektronhulsparebærer, der dramatisk kan forbedre luminescens, energitransport og gitterdefektdannelse i krystallen. Forskerne fandt ud af, at STE'er i den dobbelte perovskit Cs ₂ AgInCl ₆ , opstod fra stærk Jahn-Teller forvrængning af integreret AgCl ₆ oktaeder kompleks. De fangede excitoner havde en lignende orbital karakter som den gratis exciton, angiver paritetsforbudt overgang (opstår på grund af afbrydelse af symmetriens centrum). Den teoretiske analyse viste et ekstremt lavt fotoluminescenskvanteudbytte (PLQY) for rene Cs ₂ AgInCl _6. For at forbedre PLQY'en til praktiske anvendelser som bredbåndsmaterialer, systemet skulle ændres, specifikt ved at bryde paritetsforbudt overgang for at manipulere symmetrien af ​​STE-bølgefunktionen.

En praktisk tilgang til at opnå dette var via delvis substitution af Ag med et element, der kunne opretholde den dobbelte perovskitstruktur. Erstatningen krævede en markant anderledes elektronisk konfiguration end Ag, såsom et gruppe-IA-element eller alkalimetal. Forskerne undersøgte derfor legering af Na i Cs ₂ AgInCl ₆ at danne rene Cs ₂ NaInCl _6, som viste bredbåndsemission ved substitution, men med meget lav effektivitet på grund af stærk fononemission, kræver optimering af Na -indholdet i komplekset.

Da gitterfejl mellem de to perovskitter (Cs ₂ AgInCl ₆ ogCs ₂ NaInCl ₆ ) var meget lav (0,3 procent) forskerne forventede Na ⁺ inkorporering ville ske uden skadelige defekter eller faseseparation. Til syntesen, CsCl, NaCl, AgCl og InCl ₃ precursorer blev blandet i en HCI-opløsning i en hydrotermisk autoklave. Blandingen blev opvarmet i et defineret tidsrum og afkølet for at resultere i et endelig hvidt bundfaldsprodukt (90 % udbytte). Den rene dobbelte perovskitfase blev bekræftet ved anvendelse af røntgendiffraktionsmønstre (XRD) af en række produktsammensætninger. Resultaterne stemte overens med plasma optisk emissionsspektrometri (ICP-OES). Resultaterne var også i overensstemmelse med lignende legeringsforsøg, der tidligere blev udført med lithium (Li). Undersøgelsen foreslog således en generel tendens til alkalimetal-induceret fotoluminescerende forbedring i dobbelte perovskitter.

Fotoluminescensspektre blev registreret for en række produktpulvere ved at variere temperaturen på målingerne. Forfatterne optimerede Na -indholdet sammen med vismut (Bi ³⁺ ) doping for at forbedre krystallkvaliteten og langsom afkøling for at opnå den højeste PLQY (85 ± 5 procent), der er registreret hidtil for hvidt lysemitterende materialer til dannelse af de optimalt legerede C’er ₂ Ag _0,6 Na _0,4 InCl ₆ i undersøgelsen.

Photoluminescence excitation (PLE) spektre bekræftede STE-oprindelsen for den hvide emission for eksperimentelt at bekræfte den beregnede tidsskala for exciton selvfangst. Na-perovskitten (Cs ₂ Ag _0,6 Na _0,4 InCl ₆ ) udviste lineær afhængighed af fotoexcitationskraften. Yderligere teoretiske tests blev udført for at forstå, hvordan PLQY varierede som en funktion af Na -indholdet.

Da Na -indholdet steg, overgangsdipolmomentet steg og faldt derefter for at understøtte den sammensætningsafhængige PLQY, der blev observeret i undersøgelsen. STE'ernes elektronbølgefunktion blev også sammenlignet før og efter legering med Na. Inkorporering af Na brød inversionssymmetrien af ​​Cs ₂ AgInCl ₆ gitter, ændring af elektronbølgefunktionen på Ag -stedet fra symmetrisk til asymmetrisk. To faktorer bidrog til faldet i PLQY ved yderligere stigning af Na -indholdet. Den første var orbitaloverlapning mellem elektroner og huller i STE'erne ved øget Na -indhold. Den anden årsag til det observerede fald i PLQY med forøget Na skyldtes øget ikke-strålende tab i den Na-rige legering.

En vigtig udfordring for belysningsapplikationer er parameteren for emissionsstabilitet. Cs ₂ Ag _0,6 Na _0,4 InCl ₆ perovskit viste stabil emission i undersøgelsen med lille emissionsnedbrydning. Når pulveret blev udglødet til en kogeplade, kun minimalt fotoluminescensfald af den hvide emission blev observeret, forfatterne foreslog, at observationerne kan skyldes stærkt bundne excitoner og et næsten defektfrit gitter, der forhindrede fotoluminescens-bratkøling, samtidig med at det modstod termisk belastning.

Forskerne udviklede derefter en hvid lysemitterende diode (LED) ved direkte at trykke Na perovskitpulverne på en kommerciel ultraviolet LED -chip, uden indkapsling af epoxy eller silica til beskyttelse. Med bidraget fra det blå lys fra UV LED -chippen viste enheden en farvetemperatur på 4, 054 K for at opfylde kravene til indendørs belysning. Når den hvide LED blev brugt i mere end 1000 timer i luft, ubetydelig nedbrydning blev observeret. Den enestående fotometriske ydeevne kombineret med let fremstilling indikerede løfte for hvide fosforbelysning.

På denne måde, forskerne præsenterede en ny strategi for at producere bredbåndsemission forbundet med STE'erne for enkeltmateriale baseret hvid-lys elektroluminescens, muliggør dannelse af prototype dobbeltperovskitbaseret elektroluminescensudstyr. For at øge elektroluminescensydelsen i fremtiden, yderligere forskning bør fokusere på at optimere emissionskvaliteten af ​​C'erne ₂ Ag _0,6 Na _0,4 InCl ₆ film. Undersøgelsen viste, at legering af Na i Cs ₂ AgIn Cl ₆ brød paritetsforbudt overgang som forventet for at reducere dens elektroniske dimension og muliggøre effektiv udstråling af hvidt lys via STE'er.

Det hvide lysemitterende materiale demonstrerede også lavprisfremstilling og enestående stabilitet som en lovende solid-state belysningsplatform. Forfatterne mener, at sådanne halogenid -dobbelte perovskitter har stor mulighed for applikationer i display og belysning efter yderligere undersøgelser for at realisere deres fulde potentiale. Resultaterne vil stimulere forskning i enkeltemitterbaserede hvide lysemitterende fosforer og dioder til at generere den næste generation af belysning og displayteknologier.

© 2018 Science X Network