Alcuni diodi emettitori di luce (LED) creati da perovskite, una classe di materiali optoelettronici, emettono luce in un ampio intervallo di lunghezze d'onda. Gli scienziati dell'Università di Groningen hanno ora dimostrato che in alcuni casi, la spiegazione di questo fenomeno non è corretta. La loro nuova spiegazione dovrebbe aiutare gli scienziati a progettare LED in perovskite in grado di emettere luce ad ampio raggio. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura l'11 maggio.

Le perovskiti a bassa dimensione (2-D o 1-D) emettono luce in un intervallo spettrale ristretto e sono quindi utilizzate per realizzare diodi emettitori di luce di purezza cromatica superiore. Però, in alcuni casi, i ricercatori hanno notato un ampio spettro di emissione a livelli energetici inferiori allo spettro ristretto. Ciò ha suscitato grande interesse in quanto potrebbe essere utilizzato per produrre LED a luce bianca più facilmente rispetto ai processi attuali. Per progettare perovskiti per scopi specifici, però, è necessario capire perché alcune perovskiti producono emissioni ad ampio spettro mentre altre emettono uno spettro ristretto.

Confinamento quantistico

Le perovskiti sono un gruppo versatile di materiali con una struttura cristallina distintiva nota come struttura perovskite. In una cella unitaria cubica idealizzata, anioni formano un ottaedro attorno ad un catione centrale mentre gli angoli del cubo sono occupati da altri, cationi più grandi. Ioni differenti possono essere usati per creare perovskiti differenti.

Nelle perovskiti ibride, i cationi sono molecole organiche di diverse dimensioni. Quando la dimensione supera una certa dimensione, la struttura diventa bidimensionale o stratificata. Il confinamento quantistico risultante ha grandi conseguenze per le proprietà fisiche del materiale, e in particolare, per le proprietà ottiche.

Emissioni

"Ci sono molti rapporti in letteratura in cui, oltre alla ridotta emissione di questi sistemi a bassa dimensionalità, esiste un ampio spettro a bassa energia. E questa si pensa sia una proprietà intrinseca del materiale, "dice Maria Loi, Professore di Fotofisica e Optoelettronica presso l'Università di Groningen. In precedenza, i ricercatori credevano che le vibrazioni degli atomi dell'ottaedro potessero "intrappolare" un eccitato dichiarato in un eccitone autointrappolato, o stato eccitato autointrappolato, causando la fotoluminescenza ad ampio spettro, specialmente in questi sistemi bidimensionali e nei sistemi in cui gli ottaedri sono isolati l'uno dall'altro (zero-dimensionali).

Però, osservazioni fatte nel laboratorio di Loi sembrano contraddire questa teoria, dice Simon Kahmann, un ricercatore post-dottorato nel suo team. "Uno dei nostri studenti ha studiato i singoli cristalli di una perovskite 2-D a base di ioduro di piombo e ha notato che alcuni cristalli emettevano luce verde e altri emettevano luce rossa. Questo non è quello che ti aspetteresti se l'ampia emissione rossa fosse una proprietà intrinseca di questo materiale".

Colore

Il team di ricerca ha proposto che i difetti di queste perovskiti potrebbero cambiare il colore della luce emessa, . Perciò, hanno deciso di testare l'interpretazione mainstream con un esperimento ad hoc. Loi dice, "Nella spiegazione teorica accettata, le eccitazioni dovrebbero essere maggiori del bandgap per produrre un'ampia emissione." Il bandgap è la differenza di energia tra la parte superiore della banda di valenza e la parte inferiore della banda di conduzione.

Utilizzando luce laser di diversi colori, e quindi di energie diverse, hanno studiato l'emissione dei cristalli. "Abbiamo notato che quando abbiamo usato fotoni al di sotto dell'energia bandgap, l'ampia emissione si è ancora verificata, " dice Loi. "Questo non sarebbe dovuto accadere secondo l'interpretazione mainstream".

La loro spiegazione è che uno stato di difetto con un livello di energia all'interno del bandgap sta governando l'ampia emissione e la grande variazione di colore dei cristalli. "Pensiamo che sia un difetto chimico nel cristallo, probabilmente correlato allo ioduro, che causa stati all'interno del band gap, " dice Kahmann. Così, le ampie emissioni non sono una proprietà intrinseca del materiale, ma sono causati da un effetto estrinseco. Kahmann:"A questo punto, non possiamo escludere totalmente che si tratti di una stranezza delle perovskiti ioduro di piombo, ma è probabile che sia una proprietà generale delle perovskiti a bassa dimensione." Questa scoperta ha profonde conseguenze, spiega Loi. "Se vogliamo prevedere composti nuovi e migliori che emettono ampiamente luce, dobbiamo capire l'origine di questa emissione. Non dobbiamo farci ingannare da questo camaleonte".

Poco più di 10 anni fa, una classe di materiali si è spostata sotto i riflettori della ricerca scientifica. Questi materiali possono convertire la luce in elettricità o l'elettricità in luce:le perovskiti ibride. Questi possono essere utilizzati nelle celle solari, rilevatori di luce o raggi X, ma possono anche essere usati come diodi emettitori di luce. Alcune perovskiti emettono luce su una banda di lunghezza d'onda stretta, mentre altre producono emissioni a banda larga che potrebbero essere utilizzate per produrre luce bianca. Gli scienziati dell'Università di Groningen hanno ora dimostrato che l'ampia emissione nelle perovskiti di ioduro di piombo 2-D non è una proprietà intrinseca del materiale. Ciò significa che non è molto efficiente. Ciò significa che le indagini ottiche su questa classe di materiali devono essere interpretate con cura.