Un'illustrazione che mostra il principio di funzionamento di un diodo emettitore di luce realizzato con materiali semiconduttori disposti in una struttura cristallina "perovskite". Particelle di luce, o fotoni, vengono emessi quando gli elettroni (e-) e le lacune (h+) nei materiali si ricombinano sotto una tensione applicata. Un team guidato dal Los Alamos National Laboratory in collaborazione con Brookhaven e Argonne National Laboratories ha dimostrato che l'efficienza dell'emissione di fotoni dalla ricombinazione e la luminosità di questa emissione possono essere migliorate regolando i grandi composti contenenti carbonio che ricoprono il cristallo di perovskite. Credito:Brookhaven National Laboratory
I diodi emettitori di luce (LED) rilasciano energia sotto forma di luce quando gli elettroni e i "buchi" (vacanze di elettroni) si ricombinano in risposta a una tensione applicata. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno rivolto la loro attenzione ai LED basati su materiali ibridi organici (contenenti carbonio) e inorganici con la stessa struttura cristallina della perovskite minerale. A differenza dei LED organici che si trovano in alcuni prodotti elettronici di consumo, inclusi schermi di televisori e telefoni cellulari, I LED a base di perovskite sono realizzati con materiali economici e abbondanti in terra come piombo, alogeni come ioduro o bromuro, e ioni organici carichi positivamente. Inoltre, le perovskiti possono essere preparate in soluzione a temperatura ambiente, a differenza delle alte temperature e delle condizioni di vuoto richieste dai materiali nei LED inorganici.
In particolare, Le perovskiti 2-D inserite tra grandi molecole organiche, che fungono da distanziatori nel reticolo cristallino della perovskite, hanno attirato molto interesse non solo per la loro producibilità a basso costo, ma anche per le loro proprietà optoelettroniche migliorate. L'elevata purezza del colore, accordabilità, e la luminosità delle perovskiti a strati 2-D le rendono materiali promettenti per l'illuminazione e i display di nuova generazione. Inoltre, l'efficienza quantica esterna dei LED a base di perovskite, il rapporto tra il numero di particelle luminose emesse dal dispositivo e il numero di elettroni che passano attraverso il dispositivo, è migliorata rapidamente.
Ora, un team guidato dal Los Alamos National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) in collaborazione con Brookhaven e Argonne National Laboratories ha dimostrato che la scelta del distanziatore organico ha un impatto significativo sulle prestazioni dei LED. Utilizzando distanziatori organici con atomi disposti in un anello anziché in una catena lineare, gli scienziati hanno aumentato l'efficienza del dispositivo di due ordini di grandezza (fino a circa il 12%) e la luminosità di 70 volte, con una luminanza che si avvicina a quella dei tipici LED organici verdi.
"I grandi distanziatori organici tagliano il reticolo cristallino di perovskite 3-D in una struttura a strati 2-D costituita da fogli atomici simili al grafene ciascuno meno di un miliardesimo di metro di spessore, " ha spiegato Wanyi Nie, uno scienziato presso il Center for Integrated Nanotechnologies (CINT) a Los Alamos.
In questo caso, gli scienziati hanno confrontato i LED basati su perovskiti di bromuro di piombo 2-D con distanziatori organici alchilici (lineari) o benzilici (ad anello). Per garantire un confronto equo tra i due tipi di dispositivi, Nie e Hsinhan (Dave) Tsai, un ricercato postdoc di J. Robert Oppenheimer a Los Alamos, hanno sintetizzato per primi materiali di alta qualità e fabbricato pellicole sottili altamente cristalline delle perovskiti nelle stesse condizioni di lavorazione. Quindi, hanno convalidato la struttura cristallina e l'orientamento dei film attraverso la microscopia elettronica e la diffusione dei raggi X.
Prossimo, il team ha studiato le proprietà di emissione di luce (fotoluminescenza) dei film presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven e il Center for Nanoscale Materials (CNM) di Argonne.
Presso il CFN Advanced Optical Spectroscopy and Microscopy Facility, lo scienziato dello staff Mircea Cotlet e il ricercatore associato Mingxing Li del Soft and Bio Nanomaterials Group hanno misurato il decadimento della fotoluminescenza dei film dopo l'eccitazione con un impulso luminoso.
Una fotografia dei film sottili sotto l'esposizione alla luce ultravioletta mostra che la perovskite con il distanziatore organico a forma di anello (benzil perovskite, a destra) emette luce molto più brillante della perovskite con il distanziatore organico lineare (alchil perovskite, sinistra). Gli oggetti circolari blu nell'angolo destro sono segni che indicano i rispettivi distanziatori sul substrato di vetro. Credito:Brookhaven National Laboratory
"Chiamato microscopia ottica risolta nel tempo, questa tecnica ci permette di misurare la velocità con cui elettroni e lacune si ricombinano, fornendoci a sua volta informazioni sulla durata dei portatori di carica, " ha spiegato Cotlet.
"Le nostre misurazioni hanno mostrato che i vettori eccitati dalla luce nella benzil perovskite hanno una vita cinque volte più lunga di quella dell'alchil perovskite, " disse Li.
La durata estesa del supporto ha aumentato l'efficienza della luminescenza, con conseguente emissione di luce più brillante dalla benzil perovskite.
Al CNM, lo scienziato dello staff Xuedan Ma ha applicato la microscopia laser a scansione ad alta risoluzione per mappare le distribuzioni spaziali della fotoluminescenza dai film. Questa mappatura ha rivelato che i film sottili di benzil perovskite avevano una intensità di emissione più uniforme.
"Abbiamo osservato differenze abbastanza sostanziali nelle intensità di emissione e nelle distribuzioni dei diversi tipi di film, che potrebbe essere attribuito alle distinte dinamiche portanti nei materiali, " disse Ma.
Per collegare queste proprietà fotofisiche con la dinamica della struttura elettronica, Il team di Xiaoyi Zhang presso l'Advanced Photon Source (APS) di Argonne ha eseguito la spettroscopia di assorbimento dei raggi X risolta nel tempo.
"Questo metodo si basa sulla struttura temporale unica e sui potenti impulsi a raggi X singoli dell'APS per tracciare cambiamenti molto piccoli che si verificano molto rapidamente, " ha detto Zhang. "La stessa tecnica di assorbimento dei raggi X risolta nel tempo è altamente sensibile ai cambiamenti di carica, quindi può dirci assolutamente dove si trova la carica e come scorre all'interno del materiale".
Uno schema che mostra l'architettura del dispositivo LED a strati. Le cariche (elettroni e lacune) vengono iniettate attraverso gli elettrodi superiore (Al) e inferiore (ITO). Tra gli elettrodi ci sono uno strato di trasporto di elettroni (TPBi) e uno strato di trasporto di lacune (TPD). Come mostrato nel richiamo, la perovskite stratificata 2-D (RPLP) al centro del dispositivo è costituita da bromuro di piombo (PbBr6) separato da una molecola organica (MA), che stabilizza il cristallo internamente. I grandi distanziatori organici (blu) che "ricoprono" la perovskite esternamente sono lineari (BA) oa forma di anello (PEA). Credito:Brookhaven National Laboratory
Gli spettri hanno mostrato un cambiamento nella struttura elettronica solo sui siti del bromuro della benzil perovskite.
"I fori sui siti del bromuro non si bloccano immediatamente nelle trappole di carica, o difetti elettronici del materiale, " ha spiegato Tsai. "I buchi possono aspettare che gli elettroni si manifestino e si ricombinano per generare luce invece di calore dispendioso. Questo fenomeno è legato alla struttura cristallina 2-D del materiale. Il rigido, l'ingombrante anello benzilico influisce sull'impaccamento cristallino della perovskite, modificando così i processi di trasporto e ricombinazione della carica."
Tornato a Los Alamos, Nie e Tsai hanno assemblato le pellicole sottili in LED e hanno misurato l'efficienza e la luminosità del dispositivo. In una dimostrazione finale, hanno eseguito un test di durata operativa del LED a base di benzil perovskite. In funzionamento continuo con un'elevata corrente di iniezione e in condizioni ambientali, il dispositivo è durato 25 minuti.
"Rispetto ai LED organici, che può durare 100, 000 ore, 25 minuti possono sembrare brevi, " ha detto Nie. "Ma è un miglioramento se si considera che le perovskiti stanno appena iniziando a essere studiate e tendono ad essere sensibili a varie condizioni esterne come l'umidità e le tensioni applicate. Questo progresso ci porta un passo avanti verso LED a base di perovskite più stabili".
Negli studi successivi, il team determinerà se incorporare le perovskiti 2-D all'interno di una matrice organica potrebbe aiutare a prevenire il degrado. Esploreranno anche altri distanziatori organici che possono migliorare l'effetto di ricombinazione della carica.
"A causa della loro producibilità a basso costo e delle proprietà optoelettroniche desiderabili, Le perovskiti 2-D sono interessanti non solo per i LED ma anche per altre applicazioni, " ha detto Tsai. "Questi materiali che emettono luce potrebbero essere utili per l'imaging medico a raggi X, comunicazioni ottiche, e laser, Per esempio."
