I ricercatori del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hanno utilizzato la spettroscopia a particella singola per studiare l'elettroluminescenza nei dispositivi che emettono luce. Hanno scoperto che l'efficiente imbuto di carica tra i singoli nanocristalli di perovskite e il fenomeno del lampeggio delle emissioni sono responsabili delle basse efficienze dei dispositivi a emissione di luce di perovskite.

Le perovskiti ad alogenuri metallici sono emerse di recente come un materiale alternativo eccezionalmente promettente per le applicazioni optoelettroniche di prossima generazione. Le strutture di perovskite di dimensioni nanometriche possiedono notevoli proprietà fotofisiche, come il bandgap diretto, sintonizzabilità del colore, una grande sezione di assorbimento, e larghezza di riga stretta di fotoluminescenza. Insieme al loro basso costo, fattibilità per sintesi scale-up, processabilità della soluzione e compatibilità con i componenti dei dispositivi optoelettronici esistenti, queste proprietà rendono i nanocristalli di perovskite ad alogenuri metallici un'alternativa fattibile ad altri materiali semiconduttori per una gamma di applicazioni di emissione di luce tra cui display, illuminazione, laser, così come i dispositivi di memoria.

Però, mentre i nanocristalli di perovskite mostrano una resa di fotoluminescenza molto elevata, i dispositivi di elettroluminescenza preparati da tali nanocristalli hanno sofferto a lungo di una bassa efficienza. Gli sforzi recenti si sono concentrati sull'ingegneria dei dispositivi per superare questo problema, ma così lontano, non c'è stato uno studio sistematico sull'origine fisica su scala nanometrica delle scarse efficienze. Qui, la squadra del prof. Martin Vacha della Tokyo Tech ha utilizzato il rilevamento microscopico di singole particelle e la spettroscopia per studiare il processo di elettroluminescenza a livello dei singoli nanocristalli.

Il team ha utilizzato nanocristalli della perovskite CsPbBr ₃ passivata in superficie con leganti di acido oleico, disperso in un film sottile di un polimero conduttore che è stato utilizzato come strato di emissione in un dispositivo a emissione di luce (LED). Il dispositivo è stato costruito per essere utilizzato sopra un microscopio a fluorescenza invertita, che ha consentito il confronto di elettroluminescenza e fotoluminescenza dagli stessi nanocristalli. Il CsPbBr ₃ i nanocristalli formano aggregati all'interno dello strato di emissione, con ogni aggregato contenente da decine a centinaia di singoli nanocristalli.

I ricercatori hanno utilizzato immagini avanzate a super-risoluzione per determinare che durante la fotoluminescenza, tutti i nanocristalli nell'aggregato emettono luce; nell'elettroluminescenza, solo un piccolo numero (tipicamente da tre a sette) dei nanocristalli emette attivamente (Fig. 1). Questo è il risultato della distribuzione dimensionale e del conseguente panorama energetico all'interno dell'aggregato. Le cariche elettriche che vengono iniettate nel dispositivo durante l'operazione vengono catturate su singoli nanocristalli e incanalate in modo efficiente verso i nanocristalli più grandi. I più grandi nanocristalli all'interno dell'aggregato hanno il più piccolo gap energetico, e le loro bande di valenza e conduzione funzionano come trappole per le cariche catturate originariamente nei nanocristalli circostanti. L'ambiente conduttivo presente tra i nanocristalli consente una migrazione efficiente delle cariche verso queste trappole da cui avviene l'elettroluminescenza, come mostrato schematicamente in Fig. 1.

Un'altra scoperta importante è che l'intensità dell'elettroluminescenza dai nanocristalli che emettono attivamente non è costante, ma mostra piuttosto forti fluttuazioni, cosiddetto lampeggiante (Fig. 1). Tale lampeggio non è presente nella fotoluminescenza degli stessi aggregati. I ricercatori hanno precedentemente scoperto che il lampeggio può essere causato dalla matrice conduttiva e dal campo elettrico applicato esternamente. Nel dispositivo LED, il fenomeno del lampeggio è un fattore cruciale che contribuisce alla minore efficienza in elettroluminescenza. I ricercatori hanno concluso che l'efficienza dell'elettroluminescenza è solo circa un terzo di quella della fotoluminescenza a causa della presenza del fenomeno del lampeggio.

Il presente lavoro indica una strada verso una caratterizzazione efficiente su nanoscala dell'elettroluminescenza di materiali perovskite ad alogenuri per applicazioni a emissione di luce. Una delle chiavi verso una maggiore efficienza sarà l'ingegneria superficiale dei nanocristalli che sopprimeranno le fluttuazioni di intensità.