Onderzoekers rapporteren cruciale ontdekking van nanomateriaal voor LED’s

Een doorbraak in het stabiliseren van nanokristallen introduceert een goedkope, energiezuinige lichtbron voor consumentenelektronica, detectoren en medische beeldvorming.

Light-emitting diodes (LED’s) zijn een onbezongen held van de verlichtingsindustrie. Ze lopen efficiënt, geven weinig warmte af en gaan lang mee. Nu kijken wetenschappers naar nieuwe materialen om efficiëntere LED’s met een langere levensduur te maken met toepassingen in consumentenelektronica, medicijnen en beveiliging.

Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), het Brookhaven National Laboratory, het Los Alamos National Laboratory en het SLAC National Accelerator Laboratory melden dat ze stabiele perovskiet-nanokristallen hebben gemaakt voor dergelijke LED’s. Ook Academia Sinica in Taiwan droeg bij aan de inspanning.

Perovskieten zijn een materiaalklasse die een bepaalde kristallijne structuur delen, waardoor ze lichtabsorberende en lichtgevende eigenschappen hebben die nuttig zijn in een reeks energie-efficiënte toepassingen, waaronder zonnecellen en verschillende soorten detectoren.

Perovskiet-nanokristallen waren de belangrijkste kandidaten als nieuw LED-materiaal, maar zijn bij testen onstabiel gebleken. Het onderzoeksteam stabiliseerde de nanokristallen in een poreuze structuur die een metaal-organisch raamwerk wordt genoemd, of kortweg MOF. Gebaseerd op materialen die overvloedig aanwezig zijn in de aarde en vervaardigd bij kamertemperatuur, zouden deze LED’s op een dag goedkopere tv’s en consumentenelektronica mogelijk kunnen maken, evenals betere gammastralingsapparatuur en zelfs zelfaangedreven röntgendetectoren met toepassingen in de geneeskunde, veiligheidsscanning en wetenschappelijk onderzoek.

“We hebben het stabiliteitsprobleem van perovskietmaterialen aangevallen door ze in MOF-structuren in te kapselen”, zegt Xuedan Ma, wetenschapper in Argonne’s Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science User Facility. “Onze studies hebben aangetoond dat deze benadering ons in staat stelt de helderheid en stabiliteit van de lichtgevende nanokristallen aanzienlijk te verbeteren.”

Hsinhan Tsai, een voormalig JR Oppenheimer postdoc fellow bij Los Alamos, voegde toe: “Het intrigerende concept van het combineren van perovskiet nanokristal in MOF was gedemonstreerd in poedervorm, maar dit is de eerste keer dat we het met succes hebben geïntegreerd als de emissielaag in een LED. “

Eerdere pogingen om nanokristal-LED’s te maken werden gedwarsboomd door de nanokristallen die teruggingen naar de ongewenste bulkfase, hun nanokristalvoordelen verloren en hun potentieel als praktische LED’s ondermijnden. Bulkmaterialen bestaan ​​uit miljarden atomen. Materialen zoals perovskieten in de nanofase zijn gemaakt van groepen van slechts enkele tot enkele duizenden atomen, en gedragen zich dus anders.

In hun nieuwe benadering stabiliseerde het onderzoeksteam de nanokristallen door ze in de matrix van een MOF te fabriceren, zoals tennisballen die in een hek met kettingschakels zijn gevangen. Ze gebruikten loden knopen in het raamwerk als metaalprecursor en halogenidezouten als organisch materiaal. De oplossing van halogenidezouten bevat methylammoniumbromide, dat reageert met lood in het raamwerk om nanokristallen te assembleren rond de loodkern die in de matrix is ​​opgesloten. De matrix houdt de nanokristallen gescheiden, zodat ze geen interactie aangaan en degraderen. Deze methode is gebaseerd op een oplossingscoating, veel goedkoper dan de vacuümverwerking die wordt gebruikt om de anorganische LED’s te maken die tegenwoordig veel worden gebruikt.

De MOF-gestabiliseerde LED’s kunnen worden gefabriceerd om helder rood, blauw en groen licht te creëren, samen met verschillende tinten van elk.

“In dit werk hebben we voor het eerst aangetoond dat perovskiet-nanokristallen gestabiliseerd in een MOF heldere, stabiele LED’s in een reeks kleuren zullen creëren”, zegt Wanyi Nie, wetenschapper in het Center for Integrated Nanotechnologies van Los Alamos National Laboratory. “We kunnen verschillende kleuren creëren, de kleurzuiverheid verbeteren en de kwantumopbrengst van fotoluminescentie verhogen, wat een maat is voor het vermogen van een materiaal om licht te produceren.”

Het onderzoeksteam gebruikte de Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science User Facility in Argonne, om in de tijd opgeloste röntgenabsorptiespectroscopie uit te voeren, een techniek waarmee ze de veranderingen in het perovskietmateriaal in de loop van de tijd konden detecteren. Onderzoekers waren in staat om elektrische ladingen te volgen terwijl ze door het materiaal bewogen en leerden belangrijke informatie over wat er gebeurt als licht wordt uitgestraald.

“We konden dit alleen doen met de krachtige enkele röntgenpulsen en de unieke timingstructuur van de APS”, zegt Xiaoyi Zhang, groepsleider bij Argonne’s X-ray Science Division. “We kunnen volgen waar de geladen deeltjes zich in de kleine perovskietkristallen bevonden.”

In duurzaamheidstests presteerde het materiaal goed onder ultraviolette straling, in hitte en in een elektrisch veld zonder degradatie en verlies van lichtdetecterende en lichtemitterende efficiëntie, een belangrijke voorwaarde voor praktische toepassingen zoals tv’s en stralingsdetectoren.

Dit onderzoek verscheen in Natuurfotonica, in een paper getiteld “Heldere en stabiele lichtemitterende diodes gemaakt met perovskiet-nanokristallen gestabiliseerd in metaal-organische raamwerken.” Onderzoekers van Argonne die aan dit werk hebben bijgedragen, zijn onder meer Xuedan Ma, Gary Wiederrecht en Xiewen Wen van de CNM, en Xiaoyi Zhang en Cunming Liu van de APS. Onderzoekers van andere instellingen zijn onder meer Hsinhan Tsai, Shreetu Shrestha, Rafael A. Vilá, Wenxiao Huang, Cheng-Hung Hou, Hsin-Hsiang Huang, Mingxing Li, Yi Cui, Mircea Cotlet en Wanyi Nie.