Una nuova ricerca descrive come una classe di materiali elettroluminescenti, componenti chiave di dispositivi come luci a LED e celle solari, può essere progettato per funzionare in modo più efficiente. Pubblicato in Fotonica della natura , gli sforzi combinati di ricercatori sperimentali e teorici forniscono informazioni su come questi e altri materiali simili potrebbero essere utilizzati per nuove applicazioni in futuro.

Questo lavoro è stato il risultato di una collaborazione tra Penn, Università Nazionale di Seul, il Korea Advanced Institute of Science and Technology, l'Ecole Polytechnique Fédérale di Losanna, l'Università del Tennessee, l'Università di Cambridge, l'Università di Valencia, l'Istituto di tecnologia di Harbin, e l'Università di Oxford.

Due anni fa, Il chimico teorico di Penn Andrew M. Rappe ha visitato il laboratorio di Tae-Woo Lee alla Seoul National University, e presto la discussione si è spostata sul fatto che potessero sviluppare una teoria per aiutare a spiegare alcuni dei loro risultati sperimentali. Il materiale che stavano studiando era il bromuro di piombo di formamidinio, un tipo di nanocristalli di perovskite ad alogenuri metallici (PNC). I risultati raccolti dal gruppo Lee sembravano indicare che i LED verdi realizzati con questo materiale funzionassero in modo più efficiente del previsto. "Appena ho visto i loro dati, Sono rimasto stupito dalla correlazione tra la struttura, ottico, e risultati di efficienza luminosa. Qualcosa di speciale doveva succedere, "dice Rappe.

I PNC come il bromuro di piombo di formamidinio sono utilizzati nei dispositivi fotovoltaici, dove possono immagazzinare energia sotto forma di elettricità o convertire la corrente elettrica in luce in dispositivi a emissione di luce (LED). Nei LED, gli elettroni sono trasportati da una regione ricca di elettroni (tipo n) a un livello ad alta energia in una regione povera di elettroni (tipo p), dove trovano uno stato vuoto di energia inferiore, o "buco, " cadere ed emettere luce. L'efficienza di un materiale è determinata da quanto bene può convertire la luce in elettricità (o viceversa), che dipende da quanto facilmente un elettrone eccitato può trovare un buco e quanta di quell'energia viene persa per il calore.

Per dare un senso ai risultati del gruppo Lee, Il postdoc della Penn Arvin Kakekhani ha iniziato a lavorare con Young-Hoon Kim e Sungjin Kim della Seoul National University per sviluppare un modello computazionale dell'efficienza inaspettata del materiale e progettare esperimenti mirati di follow-up per confermare queste nuove teorie. "Abbiamo passato molto tempo a collegare esperimenti e teorie per razionalizzare ogni singola osservazione sperimentale che abbiamo, " dice Kakekhani a proposito del processo di ricerca.

Dopo mesi di scambio di idee e di restringimento delle potenziali teorie, i ricercatori hanno sviluppato un modello teorico utilizzando un metodo noto come teoria del funzionale della densità, un approccio di modellazione che si basa su teorie matematiche della meccanica quantistica. Mentre DFT è stato utilizzato nel campo per molti anni, le implementazioni di questa teoria possono ora incorporare in modo efficiente gli impatti di piccole, interazioni quantomeccaniche delocalizzate, note come forze di van der Waals, che sono noti per svolgere un ruolo importante nel comportamento dei materiali morbidi che sono simili ai PNC utilizzati in questo studio.

Usando il loro nuovo modello, i ricercatori hanno scoperto che i PNC erano più efficienti se le dimensioni dei punti quantici erano più piccole, poiché la probabilità che un elettrone trovasse un buco era molto maggiore. Ma poiché ridurre la dimensione di una particella significa anche aumentare il suo rapporto superficie-volume, questo significa anche che ci sono più punti lungo la superficie del materiale che sono soggetti a difetti, dove l'energia degli elettroni può essere facilmente persa.

Per affrontare entrambe le sfide, i ricercatori hanno scoperto che una semplice sostituzione chimica, sostituendo il formamidinio con un catione organico più grande chiamato guanidinio, ha reso le particelle più piccole preservando anche l'integrità strutturale del materiale consentendo la formazione di più legami idrogeno. Basandosi su questo approccio di lega, i ricercatori hanno trovato strategie aggiuntive per migliorare l'efficienza, compresa l'aggiunta di acidi e ammine a catena lunga per stabilizzare gli ioni di superficie e l'aggiunta di gruppi di riparazione dei difetti per "guarire" eventuali vuoti che potrebbero formarsi.

Come chimico teorico, una cosa che si è distinto per Kakekhani è stato il modo in cui le previsioni del modello e i dati sperimentali sono stati allineati, che attribuisce in parte all'uso di una teoria che incorpora le forze di van der Waals. "Non si adattano i parametri che rendono la teoria specifica per l'esperimento, " dice. "E 'più come primi principi, e l'unica conoscenza che abbiamo è che tipo di atomi hanno i materiali. Il fatto che abbiamo previsto i risultati sulla base di operazioni matematiche quasi pure e teorie della meccanica quantistica nei nostri computer, in stretta corrispondenza con ciò che i nostri colleghi sperimentali hanno trovato nei loro laboratori, è stato emozionante".

Mentre l'attuale studio fornisce strategie specifiche per materiali che hanno il potenziale per un uso diffuso come celle solari e LED, questa strategia è anche qualcosa che potrebbe essere adottata più in generale nel campo della scienza dei materiali. "Il progresso dell'Internet delle cose e la spinta verso il calcolo optoelettronico richiedono entrambi sorgenti luminose efficienti, e questi nuovi LED a base di perovskite possono aprire la strada, "dice Rappo.

Per Kakekhani, questo lavoro sottolinea anche l'importanza di dettagliati, approfondimenti basati sulla teoria per acquisire una comprensione approfondita di un materiale complesso. "Se non sai fondamentalmente cosa sta succedendo e qual è la ragione sottostante, quindi non è realmente estensibile ad altri materiali, " dice Kakekhani. "In questo studio, avere quel lungo periodo di tentativi per escludere teorie che in realtà non funzionavano è stato utile. Alla fine, abbiamo trovato una ragione davvero profonda che era autoconsistente. Ci è voluto molto tempo, ma penso che ne sia valsa la pena".