Blå-emitterende diode demonstrerer begrænsninger og løfter om perovskit-halvledere

University of California, Berkeley, forskere har skabt en blå lysemitterende diode (LED) af et trendy nyt halvledermateriale, halogenid perovskit, overvinde en stor barriere for at ansætte disse billige, materialer, der er nemme at fremstille i elektroniske enheder.

I processen, imidlertid, forskerne opdagede en grundlæggende egenskab ved halogenidperovskitter, der kan vise sig at være en barriere for deres udbredte anvendelse som solceller og transistorer.

Alternativt denne unikke egenskab kan åbne op for en helt ny verden for perovskiter langt ud over nutidens standardhalvledere.

I et papir, der vises 24. januar i journalen Videnskabens fremskridt , UC Berkeley kemiker Peidong Yang og hans kolleger viser, at krystalstrukturen af ​​halogenidperovskitterne ændrer sig med temperaturen, fugt og det kemiske miljø, forstyrrer deres optiske og elektroniske egenskaber. Uden tæt kontrol af det fysiske og kemiske miljø, perovskite-enheder er i sagens natur ustabile. Dette er ikke et stort problem for traditionelle halvledere.

"Nogle mennesker vil måske sige, at dette er en begrænsning. For mig, dette er en fantastisk mulighed, " sagde Yang, S. K. og Angela Chan Distinguished Chair in Energy i College of Chemistry og direktør for Kavli Energy NanoSciences Institute. "Dette er ny fysik:en ny klasse af halvledere, der let kan omkonfigureres, afhængigt af hvilket miljø du placerer dem i. De kunne være en rigtig god sensor, måske en rigtig god fotokonduktor, fordi de vil være meget følsomme i deres reaktion på lys og kemikalier."

Nuværende halvledere lavet af silicium eller galliumnitrid er meget stabile over en række temperaturer, primært fordi deres krystalstrukturer holdes sammen af ​​stærke kovalente bindinger. Halidperovskitkrystaller holdes sammen af ​​svagere ionbindinger, som dem i en saltkrystal. Det betyder, at de er nemmere at lave - de kan fordampes ud af en simpel løsning - men også modtagelige for fugt, varme og andre miljøforhold.

"Dette papir handler ikke kun om at vise, at vi har lavet denne blå LED, " sagde Yang, som er en senior videnskabsmand ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og en UC Berkeley professor i materialevidenskab og teknik. "Vi fortæller også folk, at vi virkelig skal være opmærksomme på den strukturelle udvikling af perovskitter under betjeningen af ​​enheden, hver gang du kører disse perovskitter med en elektrisk strøm, om det er en LED, en solcelle eller en transistor. Dette er en iboende egenskab ved denne nye klasse af halvledere og påvirker enhver potentiel optoelektronisk enhed i fremtiden ved brug af denne klasse af materiale."

Den blå diode blues

At lave halvlederdioder, der udsender blåt lys, har altid været en udfordring, sagde Yang. 2014 Nobelprisen i fysik blev tildelt for banebrydende skabelse af effektive blå lysemitterende dioder fra galliumnitrid. dioder, som udsender lys, når en elektrisk strøm løber gennem dem, er optoelektroniske komponenter i fiberoptiske kredsløb samt LED-lys til generelle formål.

Siden halogenidperovskitter først vakte stor opmærksomhed i 2009, da japanske videnskabsmænd opdagede, at de laver højeffektive solceller, disse nemt laves, billige krystaller har begejstret forskere. Indtil nu, røde og grønne emitterende dioder er blevet demonstreret, men ikke blå. Halidperovskit blåemitterende dioder har været ustabile - dvs. deres farve skifter til længere, rødere bølgelængder ved brug.

Som Yang og hans kolleger opdagede, dette skyldes den unikke karakter af perovskites krystalstruktur. Halidperovskitter er sammensat af et metal, såsom bly eller tin, lige mange større atomer, såsom cæsium, og tre gange antallet af halogenidatomer, såsom klor, brom eller jod.

Når disse elementer blandes sammen i opløsning og derefter tørres, atomerne samles til en krystal, ligesom salt krystalliserer fra havvand. Ved at bruge en ny teknik og ingredienserne cæsium, bly og brom, UC Berkeley og Berkeley Labs kemikere skabte perovskitkrystaller, der udsender blåt lys og bombarderede dem derefter med røntgenstråler ved Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) for at bestemme deres krystallinske struktur ved forskellige temperaturer. De fandt ud af, at ved opvarmning fra stuetemperatur (ca. 300 Kelvin) til omkring 450 Kelvin, en fælles driftstemperatur for halvledere, krystallens sammenklemte struktur udvidede sig og sprang til sidst ind i en ny ortorhombisk eller tetragonal konfiguration.

Da lyset, der udsendes af disse krystaller, afhænger af arrangementet af og afstandene mellem atomer, farven ændrede sig med temperaturen, såvel. En perovskitkrystal, der udsendte blåt lys (450 nanometer bølgelængde) ved 300 Kelvin, udsendte pludselig blågrønt lys ved 450 Kelvin.

Yang tilskriver perovskitters fleksible krystalstruktur til de svagere ionbindinger, der er typiske for halogenidatomer. Naturligt forekommende mineralperovskit inkorporerer ilt i stedet for halogenider, producerer et meget stabilt mineral. Siliciumbaserede og galliumnitridhalvledere er ligeledes stabile, fordi atomerne er forbundet med stærke kovalente bindinger.

Fremstilling af blå-emitterende perovskitter

Ifølge Yang, blå-emitterende perovskit-dioder har været svære at skabe, fordi standardteknikken med at dyrke krystallerne som en tynd film tilskynder til dannelse af blandede krystalstrukturer, som hver udsender ved en forskellig bølgelængde. Elektroner bliver ledet ned til de krystaller med det mindste båndgab – dvs. det mindste område af ikke-tilladte energier – før de udsender lys, som har tendens til at være rød.

For at undgå dette, Yangs postdoc-stipendiater og co-first forfattere - Hong Chen, Jia Lin og Joohoon Kang - voksede single, lagdelte krystaller af perovskit og, tilpasning af en lavteknologisk metode til fremstilling af grafen, brugt tape til at pille et enkelt lag ensartet perovskit af. Når det er inkorporeret i et kredsløb og zappet med elektricitet, perovskitten lyste blåt. Den faktiske blå bølgelængde varierede med antallet af lag af oktaedriske perovskitkrystaller, som er adskilt fra hinanden af ​​et lag af organiske molekyler, der tillader nem adskillelse af perovskitlag og beskytter også overfladen.

Alligevel, SLAC-forsøgene viste, at de blå-emitterende perovskitter ændrede deres emissionsfarver med temperaturen. Denne ejendom kan have interessante applikationer, sagde Yang. To år siden, han demonstrerede et vindue lavet af halogenidperovskit, der bliver mørkt i solen og gennemsigtigt, når solen går ned, og som også producerer fotovoltaisk energi.

"Vi er nødt til at tænke på forskellige måder for at bruge denne klasse af halvledere, " sagde han. "Vi bør ikke sætte halogenidperovskiter i det samme anvendelsesmiljø som en traditionel kovalent halvleder, som silicium. Vi er nødt til at indse, at denne klasse af materiale har iboende strukturelle egenskaber, der gør det klar til at omkonfigurere. Det skal vi bruge."