Organiske afstandsstykker forbedrer LED-ydeevnen

Lysemitterende dioder (LED'er) frigiver energi i form af lys, når elektroner og "huller" (elektron ledige stillinger) rekombinerer som svar på en påført spænding. I løbet af de sidste par år, forskere har rettet deres opmærksomhed mod lysdioder baseret på hybride organiske (kulstofholdige) og uorganiske materialer med samme krystalstruktur som mineralet perovskit. I modsætning til de organiske LED'er, der findes i nogle forbrugerelektronik, herunder tv- og mobiltelefonskærme, perovskit-baserede lysdioder er lavet af billige jordrige materialer såsom bly, halogener som jodid eller bromid, og positivt ladede organiske ioner. I øvrigt, perovskiter kan fremstilles i opløsning ved stuetemperatur, i modsætning til de høje temperaturer og vakuumforhold, der kræves af materialer i uorganiske LED'er.

I særdeleshed, 2-D perovskitter klemt ind mellem store organiske molekyler - som fungerer som afstandsstykker i perovskitkrystalgitteret - har tiltrukket sig stor interesse, ikke kun på grund af deres lave omkostninger til fremstilling, men også deres forbedrede optoelektroniske egenskaber. Den høje farverenhed, indstillingsevne, og lysstyrken af ​​2-D lagdelte perovskiter gør dem til lovende materialer til næste generation af belysning og skærme. Ud over, den eksterne kvanteeffektivitet af perovskit-baserede LED'er - forholdet mellem antallet af lyspartikler, der udsendes fra enheden og antallet af elektroner, der passerer gennem enheden - er blevet hurtigt forbedret.

Nu, et hold ledet af det amerikanske energiministeriums (DOE) Los Alamos National Laboratory i samarbejde med Brookhaven og Argonne National Laboratories har vist, at valget af organisk spacer har en væsentlig indvirkning på LED-ydeevnen. Ved at bruge organiske spacere med atomer arrangeret i en ring i stedet for en lineær kæde, forskerne øgede enhedens effektivitet med to størrelsesordener (til omkring 12 procent) og lysstyrken med 70 gange, med en luminans, der nærmer sig den for typiske grønne organiske LED'er.

"De store organiske afstandsstykker skærer 3-D perovskit krystalgitteret i en 2-D lagdelt struktur bestående af grafenlignende atomark, der hver er mindre end en milliardtedel af en meter tyk, " forklarede Wanyi Nie, en videnskabsmand ved Center for Integrated Nanotechnologies (CINT) i Los Alamos.

I dette tilfælde, forskerne sammenlignede lysdioder baseret på 2-D blybromidperovskiter med alkyl (lineær) eller benzyl (ring) organiske afstandsstykker. For at sikre en rimelig sammenligning mellem de to typer enheder, Nie og Hsinhan (Dave) Tsai - en J. Robert Oppenheimer Distinguished Postdoc Fellow ved Los Alamos - syntetiserede først materialer af høj kvalitet og fremstillede højkrystallinske tynde film af perovskitterne under de samme forarbejdningsbetingelser. Derefter, de validerede filmenes krystallinske struktur og orientering gennem elektronmikroskopi og røntgenspredning.

Næste, holdet undersøgte filmenes lysemissionsegenskaber (fotoluminescens) ved Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN) og Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM).

På CFN Advanced Optical Spectroscopy and Microscopy Facility, personaleforsker Mircea Cotlet og forskningsmedarbejder Mingxing Li fra Soft and Bio Nanomaterials Group målte filmens fotoluminescensfald efter excitation med en lyspuls.

"Kaldet tidsopløst optisk mikroskopi, denne teknik giver os mulighed for at måle den hastighed, hvormed elektroner og huller rekombinerer, giver os til gengæld information om ladeoperatørens levetid, " forklarede Cotlet.

"Vores målinger viste, at lysexciterede bærere i benzylperovskitten har en levetid fem gange længere end alkylperovskittens, " sagde Li.

Den forlængede bærerlevetid øgede luminescenseffektiviteten, hvilket resulterer i lysere lysudsendelse fra benzylperovskitten.

Hos CNM, stabsforsker Xuedan Ma anvendte højopløsnings scanningslasermikroskopi for at kortlægge de rumlige fordelinger af fotoluminescensen fra filmene. Denne kortlægning afslørede, at benzylperovskit tynde film havde en stærkere, mere ensartet emissionsintensitet.

"Vi observerede ret betydelige forskelle i emissionsintensiteter og fordelinger af de forskellige typer film, hvilket kunne tilskrives den distinkte bærerdynamik i materialerne, " sagde mor.

For at forbinde disse fotofysiske egenskaber med elektronisk strukturdynamik, Xiaoyi Zhangs team ved Argonnes Advanced Photon Source (APS) udførte tidsopløst røntgenabsorptionsspektroskopi.

"Denne metode er afhængig af APS'ens unikke timingstruktur og kraftfulde enkelt røntgenimpulser til at spore meget små ændringer, der sker meget hurtigt, " sagde Zhang. "Den tidsopløste røntgenabsorptionsteknik er i sig selv meget følsom over for ladningsændringerne, så det kan fortælle os absolut, hvor ladningen er, og hvordan den flyder inde i materialet."

Spektrene viste kun en ændring i den elektroniske struktur på bromidstederne af benzylperovskitten.

"Hullerne på bromidstederne sætter sig ikke umiddelbart fast i ladningsfælder, eller elektroniske fejl i materialet, " forklarede Tsai. "Hullerne kan vente på, at elektroner dukker op og rekombinerer for at generere lys i stedet for spildende varme. Dette fænomen er relateret til materialets 2-D krystalstruktur. Den stive, voluminøs benzylring påvirker den krystallinske pakning af perovskitten, og derved ændre ladningstransport- og rekombinationsprocesserne."

Tilbage til Los Alamos, Nie og Tsai samlede de tynde film til LED'er og målte enhedens effektivitet og lysstyrke. I en sidste demonstration, de udførte en driftslevetidstest af den benzylperovskit-baserede LED. Under kontinuerlig drift med høj indsprøjtningsstrøm og under omgivende forhold, enheden varede 25 minutter.

"Sammenlignet med organiske LED'er, som kan vare 100, 000 timer, 25 minutter kan virke korte, " sagde Nie. "Men det er en forbedring, hvis man tænker på, at perovskitter kun lige er begyndt at blive forsket i, og de har en tendens til at være følsomme over for forskellige eksterne forhold såsom fugt og påførte spændinger. Dette fremskridt bringer os et skridt fremad mod mere stabile perovskit-baserede lysdioder."

I opfølgende undersøgelser, holdet vil afgøre, om indlejring af 2-D perovskitterne i en organisk matrix kan hjælpe med at forhindre nedbrydning. De vil også udforske andre organiske spacere, der kan forbedre ladningsrekombinationseffekten.

"På grund af deres lave omkostninger til fremstilling og ønskelige optoelektroniske egenskaber, 2-D perovskites er spændende ikke kun til LED'er, men også til andre applikationer, " sagde Tsai. "Disse lysemitterende materialer kunne være nyttige til medicinsk røntgenbilleddannelse, optisk kommunikation, og lasering, for eksempel."