Forskere rapporterer om afgørende opdagelse af nanomateriale til LED'er

Et gennembrud inden for stabilisering af nanokrystaller introducerer en lavpris, energieffektiv lyskilde til forbrugerelektronik, detektorer og medicinsk billedbehandling.

Lysemitterende dioder (LED'er) er en ubesunget helt i belysningsindustrien. De kører effektivt, afgiver lidt varme og holder længe. Nu ser forskere på nye materialer til at lave mere effektive og længere levetid LED'er med applikationer i forbrugerelektronik, medicin og sikkerhed.

Forskere fra U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Los Alamos National Laboratory og SLAC National Accelerator Laboratory rapporterer, at de har forberedt stabile perovskit nanokrystaller til sådanne lysdioder. Academia Sinica i Taiwan bidrog også til indsatsen.

Perovskiter er en klasse af materialer, der deler en særlig krystallinsk struktur, hvilket giver dem lysabsorberende og lysemitterende egenskaber, der er nyttige i en række energieffektive applikationer, herunder solceller og forskellige slags detektorer.

Perovskite nanokrystaller har været de bedste kandidater som et nyt LED-materiale, men har vist sig ustabile ved test. Forskerholdet stabiliserede nanokrystallerne i en porøs struktur kaldet en metal-organisk ramme, eller MOF for kort. Baseret på jordrige materialer og fremstillet ved stuetemperatur, disse LED'er kunne en dag muliggøre lavere omkostninger til tv'er og forbrugerelektronik, samt bedre gammastråle-billeddannelsesenheder og endda selvdrevne røntgendetektorer med applikationer inden for medicin, sikkerhedsscanning og videnskabelig forskning.

"Vi angreb stabilitetsproblemet ved perovskitmaterialer ved at indkapsle dem i MOF-strukturer, " sagde Xuedan Ma, videnskabsmand i Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science brugerfacilitet. "Vores undersøgelser viste, at denne tilgang giver os mulighed for at forbedre lysstyrken og stabiliteten af ​​de lysemitterende nanokrystaller væsentligt."

Hsinhan Tsai, en tidligere J.R. Oppenheimer postdoc ved Los Alamos, tilføjet, "Det spændende koncept med at kombinere perovskit nanokrystal i MOF var blevet demonstreret i pulverform, men det er første gang, vi har integreret det som emissionslaget i en LED."

Tidligere forsøg på at skabe nanokrystal-LED'er blev forpurret af nanokrystallerne, der degraderede tilbage til den uønskede bulkfase, mister deres nanokrystalfordele og underminerer deres potentiale som praktiske lysdioder. Bulkmaterialer består af milliarder af atomer. Materialer som perovskitter i nanofasen er lavet af grupperinger på blot nogle få til nogle få tusinde atomer, og dermed opføre sig anderledes.

I deres nye tilgang, forskerholdet stabiliserede nanokrystallerne ved at fremstille dem inden for matrixen af ​​en MOF, som tennisbolde fanget i et kædehegn. De brugte blyknuder i rammeværket som metalprækursor og halogenidsalte som det organiske materiale. Opløsningen af ​​halogenidsalte indeholder methylammoniumbromid, som reagerer med bly i rammen for at samle nanokrystaller omkring blykernen fanget i matrixen. Matrixen holder nanokrystallerne adskilt, så de ikke interagerer og nedbrydes. Denne metode er baseret på en løsningsbelægningstilgang, langt billigere end den vakuumbehandling, der bruges til at skabe de uorganiske LED'er, der er udbredt i dag.

De MOF-stabiliserede LED'er kan fremstilles til at skabe lyse røde, blåt og grønt lys, sammen med forskellige nuancer af hver.

"I dette arbejde, vi demonstrerede for første gang, at perovskit nanokrystaller stabiliseret i en MOF vil skabe lyse, stabile LED'er i en række farver, " sagde Wanyi Nie, videnskabsmand i Center for Integrated Nanotechnologies ved Los Alamos National Laboratory. "Vi kan skabe forskellige farver, forbedre farverenheden og øge fotoluminescens kvanteudbytte, which is a measure of a material's ability to produce light."

The research team used the Advanced Photon Source (APS), a DOE Office of Science User Facility at Argonne, to perform time-resolved X-ray absorption spectroscopy, a technique that allowed them to spot the changes in the perovskite material over time. Researchers were able to track electrical charges as they moved through the material and learned important information about what happens when light is emitted.

"We could only do this with the powerful single X-ray pulses and unique timing structure of the APS, " said Xiaoyi Zhang, group leader with Argonne's X-ray Science Division. "We can follow where the charged particles were located inside the tiny perovskite crystals."

In durability tests, the material performed well under ultraviolet radiation, in heat and in an electrical field without degrading and losing its light-detecting and light-emitting efficiency, a key condition for practical applications such as TVs and radiation detectors.

This research appeared in Naturfotonik , in a paper entitled "Bright and stable light emitting diodes made with perovskite nanocrystals stabilized in metal-organic frameworks." Argonne researchers contributing to this work include Xuedan Ma, Gary Wiederrecht and Xiewen Wen from the CNM, and Xiaoyi Zhang and Cunming Liu from the APS. Researchers from other institutions include Hsinhan Tsai, Shreetu Shrestha, Rafael A. Vilá, Wenxiao Huang, Cheng-Hung Hou, Hsin-Hsiang Huang, Mingxing Li, Yi Cui, Mircea Cotlet and Wanyi Nie.