Forskere kombinerer med succes to forskellige materialer for at skabe nye hypereffektive lysemitterende krystal

Det er snacktid:du har en almindelig havregrynssmåkage, og en bunke chokoladechips. Begge er lækre hver for sig, men hvis du kan finde en måde at kombinere dem glat, du får det bedste fra begge verdener.

Forskere ved Edward S. Rogers Sr. Department of Electrical &Computer Engineering brugte denne indsigt til at opfinde noget helt nyt:de har kombineret to lovende solcellematerialer sammen for første gang, skabe en ny platform for LED-teknologi.

Holdet designede en måde at indlejre stærkt selvlysende nanopartikler kaldet kolloide kvanteprikker (chokoladechipsene) i perovskit (havregrynskagen). Perovskites er en familie af materialer, der let kan fremstilles ud fra opløsning, og som tillader elektroner at bevæge sig hurtigt gennem dem med minimalt tab eller indfangning af defekter.

Værket er publiceret i det internationale tidsskrift Natur den 15. juli, 2015.

"Det er en ret ny idé at blande disse to optoelektroniske materialer sammen, som begge vinder meget indpas, " siger Xiwen Gong, en af ​​undersøgelsens hovedforfattere og en ph.d.-kandidat, der arbejder sammen med professor Ted Sargent. "Vi ønskede at udnytte fordelene ved begge dele ved at kombinere dem problemfrit i en solid-state matrix."

Resultatet er en sort krystal, der er afhængig af perovskitmatrixen til at 'tragte' elektroner ind i kvanteprikkerne, som er ekstremt effektive til at omdanne elektricitet til lys. Hypereffektive LED-teknologier kunne muliggøre applikationer fra LED-pærer med synligt lys i ethvert hjem, til nye skærme, til gestusgenkendelse ved hjælp af nær-infrarøde bølgelængder.

"Når du prøver at sætte to forskellige krystaller sammen, de danner ofte separate faser uden at blande sig glat ind i hinanden, " siger Dr. Riccardo Comin, en post-doc i Sargent-gruppen. "Vi var nødt til at designe en ny strategi for at =overbevise disse to komponenter om at glemme deres forskelle og hellere blande sig til at danne en unik krystallinsk enhed."

Den største udfordring var at få orienteringen af ​​de to krystalstrukturer på linje, kaldet heteroexpitaxy. For at opnå heteroepitaxi, Gong, Comin og deres team udviklede en måde at forbinde de atomare 'ender' af de to krystallinske strukturer, så de justerede jævnt, uden defekter ved sømmene. "Vi startede med at bygge et stilladsskal i nanoskala omkring kvanteprikkerne i opløsning, så voksede perovskitkrystallen rundt om den skal, så de to flader flugtede ind, " forklarede medforfatter Dr. Zhijun Ning, som bidrog til arbejdet, mens han var post-doc ved UofT og nu er fakultetsmedlem ved ShanghaiTech.

Det resulterende heterogene materiale er grundlaget for en ny familie af meget energieffektive nær-infrarøde LED'er. Infrarøde LED'er kan udnyttes til forbedret nattesynsteknologi, til bedre biomedicinsk billeddannelse, til højhastigheds-telekommunikation.

Kombinationen af ​​de to materialer på denne måde løser også problemet med selvoptagelse, som opstår, når et stof delvist reabsorberer det samme energispektrum, som det udsender, med et nettoeffektivitetstab. "Disse prikker i perovskit lider ikke af reabsorption, fordi emissionen af ​​prikkerne ikke overlapper med perovskittens absorptionsspektrum, " forklarer Comin.

Gong, Comin og teamet designede bevidst deres materiale til at være kompatibelt med løsningsbehandling, så det let kunne integreres med de mest billige og kommercielt praktiske måder at fremstille solfilm og enheder på. Deres næste skridt er at bygge og teste hardwaren for at udnytte det koncept, de har bevist med dette arbejde.

"Vi skal bygge LED-enheden og forsøge at slå rekorden i strømeffektiviteten rapporteret i litteraturen, " siger Gong.