Nye strategier til design af elektroluminescerende materialer

Ny forskning beskriver, hvordan en klasse af elektroluminescerende materialer, nøglekomponenter i enheder såsom LED-lys og solceller, kan designes til at arbejde mere effektivt. Udgivet i Natur fotonik , den kombinerede indsats fra eksperimentelle og teoretiske forskere giver indsigt i, hvordan disse og andre lignende materialer kan bruges til nye anvendelser i fremtiden.

Dette arbejde var resultatet af et samarbejde mellem Penn, Seoul National University, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, University of Tennessee, University of Cambridge, Universitat de Valencia, Harbin Institute of Technology, og University of Oxford.

To år siden, Penn teoretisk kemiker Andrew M. Rappe besøgte laboratoriet hos Tae-Woo Lee på Seoul National University, og diskussionen drejede sig snart om, hvorvidt de kunne udvikle en teori til at forklare nogle af deres eksperimentelle resultater. Materialet de studerede var formamidinium blybromid, en type metalhalogenid perovskit nanokrystal (PNC). Resultater indsamlet af Lee-gruppen syntes at indikere, at grønne lysdioder lavet med dette materiale virkede mere effektivt end forventet. "Så snart jeg så deres data, Jeg var forbløffet over sammenhængen mellem de strukturelle, optisk, og lyseffektive resultater. Der skulle ske noget særligt, " siger Rappe.

PNC'er som formamidinium blybromid bruges i fotovoltaiske enheder, hvor de kan lagre energi som elektricitet eller omdanne elektrisk strøm til lys i lysemitterende enheder (LED'er). I lysdioder, elektroner transporteres fra et elektronrigt (n-type) område til et højt energiniveau i et elektronfattigt (p-type) område, hvor de finder en tom lavere energitilstand, eller "hul, " at falde ned i og udsende lys. Et materiales effektivitet bestemmes af, hvor godt det kan omdanne lys til elektricitet (eller omvendt), hvilket afhænger af, hvor let en exciteret elektron kan finde et hul, og hvor meget af den energi, der går tabt til varme.

For at give mening i Lee-gruppens resultater, Penn postdoc Arvin Kakekhani begyndte at arbejde sammen med Young-Hoon Kim og Sungjin Kim fra Seoul National University for at udvikle en beregningsmodel for materialets uventede effektivitet og for at designe målrettede opfølgende eksperimenter for at bekræfte disse nye teorier. "Vi brugte meget tid på at krydslinke eksperiment og teori for at rationalisere hver eneste eksperimentelle observation, vi har, " siger Kakekhani om forskningsprocessen.

Efter måneder med udveksling af ideer og indsnævring af potentielle teorier, forskerne udviklede en teoretisk model ved hjælp af en metode kendt som tæthedsfunktionsteori, en modelleringstilgang, der bygger på matematiske teorier fra kvantemekanikken. Mens DFT har været brugt i marken i mange år, implementeringerne af denne teori kan nu effektivt inkorporere virkningerne af små, delokaliserede kvantemekaniske interaktioner, kendt som van der Waals styrker, som er kendt for at spille en stor rolle i opførselen af ​​bløde materialer, der ligner de PNC'er, der anvendes i denne undersøgelse.

Ved at bruge deres nye model, forskerne fandt ud af, at PNC'erne var mere effektive, hvis størrelsen af ​​kvanteprikkerne var mindre, da sandsynligheden for, at en elektron fandt et hul, var meget større. Men fordi reduktion af en partikels størrelse også betyder at øge dens overflade-til-volumen-forhold, det betyder også, at der er flere steder langs materialets overflade, der er tilbøjelige til at defekter, hvor energi fra elektroner let kan gå tabt.

For at løse begge udfordringer, forskerne fandt ud af, at en simpel kemisk substitution, erstatte formamidinium med en større organisk kation kaldet guanidinium, gjorde partiklerne mindre og samtidig bevarede materialets strukturelle integritet ved at lade flere hydrogenbindinger dannes. Med udgangspunkt i denne legeringstilgang, forskerne fandt yderligere strategier til at forbedre effektiviteten, herunder tilføjelse af langkædede syrer og aminer for at stabilisere overfladeioner og tilføjelse af defekthelende grupper for at "helbrede" eventuelle ledige stillinger, der måtte dannes.

Som teoretisk kemiker, en ting, der skilte sig ud for Kakekhani, var, hvor godt modellens forudsigelser og eksperimentelle data passede, hvilket han delvist tilskriver at bruge en teori, der inkorporerer van der Waals-kræfter. "Du passer ikke på parametre, der gør teorien specifik for eksperimentet, " siger han. "Det er mere som de første principper, og den eneste viden, vi har, er, hvilken type atomer materialerne har. Det faktum, at vi forudsagde resultaterne baseret på næsten rene matematiske operationer og kvantemekaniske teorier i vores computere, i tæt overensstemmelse med, hvad vores eksperimentelle kolleger fandt i deres laboratorier, var spændende."

Mens den nuværende undersøgelse giver specifikke strategier for materialer, der har potentiale til udbredt brug som solceller og LED'er, denne strategi er også noget, der kunne vedtages mere generelt inden for materialevidenskab. "Udviklingen af ​​tingenes internet og drevet hen imod optoelektronisk databehandling kræver begge effektive lyskilder, og disse nye perovskit-baserede lysdioder kan vise vejen, " siger Rappe.

For Kakekhani, dette arbejde fremhæver også vigtigheden af ​​detaljerede, teoridrevet indsigt for at opnå en grundig forståelse af et komplekst materiale. "Hvis du ikke grundlæggende ved, hvad der foregår, og hvad der er den underliggende årsag, så kan den ikke rigtig udvides til andre materialer, " siger Kakekhani. "I denne undersøgelse, Det var nyttigt at have den lange periode med at forsøge at udelukke teorier, der faktisk ikke virkede. I slutningen, vi fandt en virkelig dyb grund, der var selvkonsekvent. Det tog meget tid, men jeg synes, det var det værd."