Wetenschappers ontwikkelen materialen met een hoge impact voor opto-elektronische technologieën

Elke dag plukken mensen de vruchten van het werk van wetenschappers en ingenieurs om effectievere röntgenapparatuur, computers, mobiele telefoons en televisies te maken. Onderzoekers van de Florida State University verleggen de grenzen van deze technologieën en ontwikkelen nieuwe, kosteneffectievere en milieuvriendelijkere materialen voor deze apparaten.

FSU-hoogleraar scheikunde en biochemie Biwu Ma en zijn laboratorium hebben jarenlang pionierswerk verricht in het gebruik van hybride materialen die bekend staan ​​als organische metaalhalide-hybriden of OMHH’s. Deze materialen combineren organische moleculen met metaalhalogenide-eenheden, wat resulteert in structuren met gemakkelijk te manipuleren eigenschappen die worden gebruikt in zonnecellen, lichtemitterende diodes (LED’s) en meer. Dit najaar werd hun werk met betrekking tot verschillende aspecten van deze materialen gepubliceerd in drie verschillende wetenschappelijke tijdschriften.

“Onze groep wordt algemeen erkend als een pionier in de ontwikkeling van deze nieuwe klasse hybride materialen die bekend staan ​​als organische metaalhalogenide-hybriden of OMHH’s,” zei Ma. “Het fascinerende aan deze materialen is hun uitzonderlijke structuur en afstembaarheid van eigenschappen. Net zoals bij het assembleren van Lego-stukken kunnen we organische en metaalhalogenide-bouwstenen op talloze manieren combineren om materialen te produceren met allerlei functionaliteiten voor gebruik in verschillende industrieën.”

In een artikel gepubliceerd in Geavanceerde materialen in november demonstreerde Ma’s team hoe nul-dimensionale, of 0D, OMHH’s dienen als lichtgevende materialen in combinatie met metaalhalide-perovskieten, waardoor hoogwaardige witte LED’s ontstaan. De onderzoekers stapelden twee emitterende materiaallagen op elkaar – de ene straalde blauw licht uit en de andere straalde oranje en rood licht uit – om wit licht te genereren.

Naast het omzetten van elektriciteit in zichtbaar licht in LED’s, kunnen 0D OMHH’s ook hoogenergetische straling, zoals röntgenstraling, omzetten in zichtbaar licht. Dit maakt ze ideaal voor gebruik in röntgenscintillatoren, die een cruciale rol spelen bij medische beeldvorming, veiligheidsonderzoeken en industriële chemische testen. Scintillatoren, waarmee onder meer tanden bij de tandarts of bagage bij de beveiliging van luchthavens kunnen worden afgebeeld, worden traditioneel gemaakt van anorganische materialen die kostbare productie bij hoge temperatuur en hoge druk vereisen.

Als de eerste onderzoeksgroep die in 2020 het gebruik van goedkope, milieuvriendelijke 0D OMHH’s voor röntgenscintillatoren rapporteerde, loopt de groep van Ma voorop bij het bevorderen van deze technologie. Het werk van het team op het gebied van LED’s heeft door de jaren heen voortdurende steun gekregen van de National Science Foundation, waarbij meer dan een dozijn spraakmakende publicaties zijn voortgekomen en meerdere doctoraatsstudenten zijn afgestudeerd.

“Biwu is een chemicus met een grote impact, en wat hij tot nu toe in zijn carrière heeft bereikt is verbazingwekkend”, zegt Wei Yang, voorzitter van de afdeling Scheikunde en Biochemie. “Hij is niet alleen wereldberoemd vanwege het ontwerpen van materialen met ‘droom’-eigenschappen, maar ook vanwege het ontwikkelen van nieuwe concepten en het leiden van het gebied van materiaalontwerp met zijn werk.”

In een ander onderzoek, gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen in september beschreven Ma en zijn team hoe een nieuwe vorm van 0D OMHH’s, in oplossing verwerkte amorfe films, kan worden gebruikt om röntgenscintillatoren met een groot oppervlak te produceren. Voorafgaand aan dit werk vertrouwden bijna alle op 0D OMHH gebaseerde röntgenscintillatoren op in oplossing gekweekte enkele kristallen, die tijdrovende synthese vereisen en beperkt zijn door beperkingen in grootte. Ma’s team maakte gebruik van de amorfe aard van OMHH’s en vergemakkelijkte de creatie van hoogwaardige, in oplossingen verwerkbare scintillatoren.

Het team werkt samen met meerdere onderzoeksinstellingen om toepassingen in radiotherapie en computertomografie met fotonentelling, een radiologietechniek, te onderzoeken. Ze werken ook samen met industriële medewerkers om op 0D OMHH gebaseerde scintillatoren op de markt te brengen, die op kosteneffectieve wijze kunnen worden geproduceerd met behulp van niet-giftige grondstoffen die overvloedig aanwezig zijn op de aarde.

“Biwu is buitengewoon creatief; zijn ideeën zijn ingebed in uitzonderlijke inzichten,” zei Yang. “Zijn studenten zeggen dat, hoewel de ideeën van Biwu op het eerste gezicht ongelooflijk lijken, ze altijd zo goed werken. De afdeling heeft enorme inspanningen gestoken in de ontwikkeling van faculteiten en heeft de groei van ongelooflijke wetenschappers waargenomen om vooraanstaande wetenschappers te worden in hun respectievelijke onderzoeksgebieden, en Biwu is een stralende voorbeeld.”

In een artikel van ACS Energiebrieven gepubliceerd in november, werkte Ma’s team samen met onderzoekers van het Los Alamos National Laboratory en de Universiteit van Buffalo om de toepassing van 0D OMHH’s in directe röntgendetectoren te onderzoeken die röntgenstralen omzetten in elektrische signalen.

Directe röntgendetectoren, die veel worden gebruikt bij medische beeldvorming en veiligheidsonderzoek, maken traditioneel gebruik van materialen als silicium en selenium, die beperkingen met zich meebrengen wat betreft prestaties, aanpassingsvermogen en kosten. Hoewel materialen zoals metaalhalide-perovskieten de aandacht hebben getrokken vanwege hun potentieel om röntgendetectie te verbeteren, blijven instabiliteit en toxiciteit aanzienlijke obstakels voor wijdverbreide acceptatie.

Het team heeft aangetoond dat 0D OMHH’s een milieuvriendelijk, goedkoop alternatief bieden met voordelen zoals hoge gevoeligheid, lage detectielimieten en solide stabiliteit, waardoor de materialen een veelbelovende optie zijn voor een reeks toepassingen, van medische diagnostiek en beeldvorming tot beveiliging en wetenschappelijke toepassingen. onderzoek. Ma heeft een Amerikaanse patentaanvraag ingediend voor deze op OMHH gebaseerde directe röntgendetectoren, en het team zoekt subsidie ​​bij hun medewerkers om deze technologie verder te ontwikkelen.

“Sinds ons eerste artikel over deze materialen in 2017 hebben we voortdurend nieuwe composities, structuren, eigenschappen, functionaliteiten en toepassingen onderzocht, en ons werk bestrijkt een breed spectrum”, zei Ma. “We zien 0D OMHHs als een ongelooflijk veelzijdig materiaalplatform met het enorme potentieel om bestaande materialen in tal van toepassingen te overtreffen.”