Atom swapping kan leiden tot ultraheldere, flexibele LED’s van de volgende generatie

Een internationale groep onderzoekers heeft een nieuwe techniek ontwikkeld die kan worden gebruikt om efficiëntere, goedkope lichtemitterende materialen te maken die flexibel zijn en kunnen worden bedrukt met inkjettechnieken.

De onderzoekers, onder leiding van de Universiteit van Cambridge en de Technische Universiteit van München, ontdekten dat door een op de duizend atomen van het ene materiaal te verwisselen voor een ander, ze in staat waren de luminescentie van een nieuwe materiële klasse van lichtstralers te verdrievoudigen, bekend als halide perovskieten.

Deze ‘atom swapping’ of doping zorgt ervoor dat de ladingsdragers vast komen te zitten in een specifiek deel van de kristalstructuur van het materiaal, waar ze recombineren en licht uitstralen. De resultaten, gerapporteerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society, kan nuttig zijn voor goedkope printbare en flexibele LED-verlichting, displays voor smartphones of goedkope lasers.

Veel alledaagse toepassingen maken nu gebruik van lichtgevende apparaten (LED’s), zoals huishoudelijke en commerciële verlichting, tv-schermen, smartphones en laptops. Het belangrijkste voordeel van LED’s is dat ze veel minder energie verbruiken dan oudere technologieën.

Uiteindelijk wordt ook al onze wereldwijde communicatie via internet aangedreven door optische signalen van zeer heldere lichtbronnen die binnen optische vezels informatie met de snelheid van het licht over de hele wereld vervoeren.

Het team bestudeerde een nieuwe klasse halfgeleiders, halide-perovskieten genaamd, in de vorm van nanokristallen die slechts ongeveer een tienduizendste van de dikte van een mensenhaar meten. Deze ‘quantum dots’ zijn zeer lichtgevende materialen: onlangs kwamen de eerste high-brilliant QLED-tv’s met quantum dots op de markt.

De Cambridge-onderzoekers, die samenwerken met de groep van Daniel Congreve aan Harvard, die experts zijn in de fabricage van kwantumstippen, hebben nu de lichtemissie van deze nanokristallen aanzienlijk verbeterd. Ze vervingen een op de duizend atomen door een ander – waarbij ze lood verwisselden voor mangaanionen – en ontdekten dat de luminescentie van de kwantumstippen verdrievoudigd was.

Een gedetailleerd onderzoek met behulp van laserspectroscopie onthulde de oorsprong van deze waarneming. “We ontdekten dat de ladingen zich verzamelen in de regio’s van de kristallen die we hebben gedoteerd”, zegt Sascha Feldmann van Cambridge’s Cavendish Laboratory, de eerste auteur van het onderzoek. “Eenmaal gelokaliseerd, kunnen die energetische ladingen elkaar ontmoeten en recombineren om op een zeer efficiënte manier licht uit te zenden.”

“We hopen dat deze fascinerende ontdekking: dat zelfs de kleinste veranderingen in de chemische samenstelling de materiaaleigenschappen sterk kunnen verbeteren, in de nabije toekomst de weg zal effenen voor goedkope en ultraheldere LED-schermen en lasers”, zegt senior auteur Felix Deschler, die gezamenlijk verbonden is aan aan het Cavendish en het Walter Schottky Instituut aan de Technische Universiteit van München.

In de toekomst hopen de onderzoekers nog efficiëntere doteringsmiddelen te identificeren die zullen helpen deze geavanceerde lichttechnologieën toegankelijk te maken voor alle delen van de wereld.