Una svolta nella stabilizzazione dei nanocristalli introduce una soluzione a basso costo, sorgente luminosa ad alta efficienza energetica per dispositivi elettronici di consumo, rivelatori e imaging medico.

I diodi a emissione di luce (LED) sono un eroe sconosciuto dell'industria dell'illuminazione. Funzionano in modo efficiente, emanano poco calore e durano a lungo. Ora gli scienziati stanno cercando nuovi materiali per realizzare LED più efficienti e di lunga durata con applicazioni nell'elettronica di consumo, medicina e sicurezza.

Ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), Laboratorio nazionale di Brookhaven, Il Los Alamos National Laboratory e lo SLAC National Accelerator Laboratory riferiscono di aver preparato nanocristalli stabili di perovskite per tali LED. Anche l'Academia Sinica di Taiwan ha contribuito allo sforzo.

Le perovskiti sono una classe di materiali che condividono una particolare struttura cristallina che conferisce loro proprietà di assorbimento e emissione di luce utili in una gamma di applicazioni ad alta efficienza energetica, comprese le celle solari e vari tipi di rilevatori.

I nanocristalli di perovskite sono stati i primi candidati come nuovo materiale LED, ma si sono rivelati instabili durante i test. Il team di ricerca ha stabilizzato i nanocristalli in una struttura porosa chiamata struttura metallo-organica, o MOF in breve. Basato su materiali abbondanti in terra e fabbricato a temperatura ambiente, questi LED potrebbero un giorno consentire televisori a costi inferiori ed elettronica di consumo, così come migliori dispositivi di imaging a raggi gamma e persino rilevatori di raggi X autoalimentati con applicazioni in medicina, scansione di sicurezza e ricerca scientifica.

"Abbiamo affrontato il problema della stabilità dei materiali di perovskite incapsulandoli in strutture MOF, " disse Xuedan Ma, scienziato nel Centro di Argonne per i materiali su nanoscala (CNM), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. "I nostri studi hanno dimostrato che questo approccio ci consente di migliorare sostanzialmente la luminosità e la stabilità dei nanocristalli che emettono luce".

Hsinhan Tsai, un ex postdoc J. R. Oppenheimer a Los Alamos, aggiunto, "L'intrigante concetto di combinare nanocristalli di perovskite in MOF è stato dimostrato sotto forma di polvere, ma questa è la prima volta che l'abbiamo integrato con successo come strato di emissione in un LED."

I precedenti tentativi di creare LED a nanocristalli sono stati vanificati dal degradarsi dei nanocristalli fino alla fase di massa indesiderata, perdendo i loro vantaggi di nanocristalli e minando il loro potenziale come LED pratici. I materiali sfusi sono costituiti da miliardi di atomi. Materiali come le perovskiti in fase nano sono costituiti da raggruppamenti da pochi a qualche migliaio di atomi, e quindi comportarsi diversamente.

Nel loro nuovo approccio, il team di ricerca ha stabilizzato i nanocristalli fabbricandoli all'interno della matrice di un MOF, come palline da tennis impigliate in una rete metallica. Hanno usato nodi di piombo nella struttura come precursore del metallo e sali di alogenuro come materiale organico. La soluzione di sali di alogenuro contiene bromuro di metilammonio, che reagisce con il piombo nella struttura per assemblare i nanocristalli attorno al nucleo di piombo intrappolato nella matrice. La matrice mantiene separati i nanocristalli, quindi non interagiscono e si degradano. Questo metodo si basa su un approccio di rivestimento in soluzione, molto meno costoso della lavorazione sotto vuoto utilizzata per creare i LED inorganici oggi ampiamente utilizzati.

I LED stabilizzati MOF possono essere fabbricati per creare un rosso brillante, luce blu e verde, insieme a diverse sfumature di ciascuno.

"In questo lavoro, abbiamo dimostrato per la prima volta che i nanocristalli di perovskite stabilizzati in un MOF creeranno brillante, LED stabili in una gamma di colori, " ha detto Wanyi Nie, scienziato nel Centro per le nanotecnologie integrate presso il Los Alamos National Laboratory. "Possiamo creare diversi colori, migliorare la purezza del colore e aumentare la resa quantica della fotoluminescenza, which is a measure of a material's ability to produce light."

The research team used the Advanced Photon Source (APS), a DOE Office of Science User Facility at Argonne, to perform time-resolved X-ray absorption spectroscopy, a technique that allowed them to spot the changes in the perovskite material over time. Researchers were able to track electrical charges as they moved through the material and learned important information about what happens when light is emitted.

"We could only do this with the powerful single X-ray pulses and unique timing structure of the APS, " said Xiaoyi Zhang, group leader with Argonne's X-ray Science Division. "We can follow where the charged particles were located inside the tiny perovskite crystals."

In durability tests, the material performed well under ultraviolet radiation, in heat and in an electrical field without degrading and losing its light-detecting and light-emitting efficiency, a key condition for practical applications such as TVs and radiation detectors.

This research appeared in Fotonica della natura , in a paper entitled "Bright and stable light emitting diodes made with perovskite nanocrystals stabilized in metal-organic frameworks." Argonne researchers contributing to this work include Xuedan Ma, Gary Wiederrecht and Xiewen Wen from the CNM, and Xiaoyi Zhang and Cunming Liu from the APS. Researchers from other institutions include Hsinhan Tsai, Shreetu Shrestha, Rafael A. Vilá, Wenxiao Huang, Cheng-Hung Hou, Hsin-Hsiang Huang, Mingxing Li, Yi Cui, Mircea Cotlet and Wanyi Nie.