Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hanno scoperto un nuovo alogenuro di rame alcalino, Cs ₅ Cu ₃ Cl ₆ io ₂ , che emette pura luce blu. La combinazione dei due ioni alogenuro, cloruro e ioduro, conferisce al materiale una struttura cristallina fatta di catene a zigzag e proprietà peculiari che si traducono in una fotoluminescenza altamente efficiente. Questo nuovo composto potrebbe essere facilmente utilizzato per produrre LED bianchi relativamente economici ed ecologici e ridurre l'energia utilizzata nella generazione di luce artificiale quotidiana.

La luce artificiale rappresenta circa il 20% dell'elettricità totale consumata a livello globale. Considerando l'attuale crisi ambientale, ciò rende particolarmente importante la scoperta di materiali a emissione di luce efficienti dal punto di vista energetico, soprattutto quelli che producono luce bianca. Nell'ultima decade, progressi tecnologici nell'illuminazione a stato solido, il sottocampo della ricerca sui semiconduttori relativo ai composti che emettono luce, ha portato all'uso diffuso di LED bianchi. Però, la maggior parte di questi LED sono in realtà un chip LED blu rivestito con un materiale luminescente giallo; la luce gialla emessa combinata con la luce blu rimanente produce il colore bianco.

Perciò, un modo per ridurre il consumo energetico delle moderne luci a LED bianche è trovare migliori semiconduttori che emettono blu. Sfortunatamente, nessun composto noto che emette blu era contemporaneamente altamente efficiente, facilmente processabile, durevole, ecologico, e realizzato con materiali abbondanti, fino ad ora.

In un recente studio, pubblicato in Materiale avanzato , un team di scienziati del Tokyo Institute of Technology, Giappone, scoperto un nuovo alogenuro di rame alcalino, Cs ₅ Cu ₃ Cl ₆ io ₂ , che soddisfa tutti i criteri. A differenza di Cs ₃ Cu ₂ io ₅ , un altro promettente candidato a emissione di blu per dispositivi futuri, il composto proposto ha due diversi alogenuri, cloruro e ioduro. Sebbene i materiali ad alogenuri misti siano stati già provati, Cs ₅ Cu ₃ Cl ₆ io ₂ ha proprietà uniche che emergono specificamente dall'uso di I- e Cl-.

Si scopre che Cs ₅ Cu ₃ Cl ₆ io ₂ forma una catena unidimensionale a zigzag di due diverse subunità, e gli anelli della catena sono collegati esclusivamente da ioni I-. Gli scienziati hanno anche scoperto un'altra caratteristica importante:la sua banda di valenza, che descrive i livelli di energia degli elettroni in diverse posizioni della struttura cristallina del materiale, è quasi piatto (di energia costante). A sua volta, questa caratteristica rende i fori fotogenerati, pseudoparticelle caricate positivamente che rappresentano l'assenza di un elettrone fotoeccitato, "più pesanti". Questi fori tendono ad immobilizzarsi a causa della loro forte interazione con gli ioni I, e si legano facilmente con gli elettroni liberi vicini per formare un piccolo sistema noto come eccitone.

Gli eccitoni inducono distorsioni nella struttura cristallina. Proprio come il fatto che si avrebbe difficoltà a muoversi in cima a una grande rete sospesa che è considerevolmente deformata dal proprio peso, gli eccitoni rimangono intrappolati sul posto per il loro stesso effetto. Questo è fondamentale per la generazione altamente efficiente di luce blu. Professor Junghwan Kim, che ha condotto lo studio, spiega:"Gli eccitoni auto-intrappolati sono forme localizzate di energia otticamente eccitata; l'eventuale ricombinazione della loro coppia costituente elettrone-lacuna provoca fotoluminescenza, l'emissione di luce blu in questo caso."

Oltre alla sua efficienza, Cs ₅ Cu ₃ Cl ₆ io ₂ ha altre proprietà attraenti. È composto esclusivamente da materiali abbondanti, rendendolo relativamente poco costoso. Inoltre, è molto più stabile in aria di Cs ₃ Cu ₂ io ₅ e altri composti alcalini di alogenuro di rame. Gli scienziati hanno scoperto che le prestazioni di Cs ₅ Cu ₃ Cl ₆ io ₂ non si è degradato se conservato all'aria per tre mesi, mentre composti simili a emissione di luce hanno ottenuto risultati peggiori dopo pochi giorni. Finalmente, Cs ₅ Cu ₃ Cl ₆ io ₂ non richiede piombo, un elemento altamente tossico, rendendolo complessivamente ecologico.

Il prof. Kim ha concluso, "I nostri risultati forniscono una nuova prospettiva per lo sviluppo di nuovi candidati agli alogenuri di rame alcalini e dimostrano che Cs ₅ Cu ₃ Cl ₆ io ₂ potrebbe essere un materiale promettente che emette blu." Si spera che la luce diffusa da questo team di scienziati porterà a una tecnologia di illuminazione più efficiente ed ecologica.