Laut ausländischen Medienberichten sind Leuchtdioden (LEDs) die unbesungenen Helden der Beleuchtungsindustrie. Sie arbeiten effizient, leiten weniger Wärme ab und halten lange. Jetzt arbeiten Wissenschaftler an einem neuen Material, um LEDs für Anwendungen in der Unterhaltungselektronik, Medizin und Sicherheit effizienter und langlebiger zu machen.
Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE), des Brookhaven National Laboratory, des Los Alamos National Laboratory und des SLAC National Accelerator Laboratory berichten, dass sie stabiles Kalzium für solche LEDs Titanit-Nanokristalle hergestellt haben. Forschungsinstitute aus der Region Taiwan in China trugen ebenfalls zu dieser Forschung bei.
Perowskite sind eine Klasse von Materialien mit speziellen Kristallstrukturen, die Licht absorbieren und emittieren, was sie in einer Reihe von energieeffizienten Anwendungen, einschließlich Solarzellen und verschiedenen Detektoren, nützlich macht.
Während Perowskit-Nanokristalle erstklassige Kandidaten für eine neue Art von LED-Material sind, erwiesen sie sich in Tests als instabil. Das Team stabilisierte die Nanokristalle in porösen Strukturen, die als metallorganische Gerüste, kurz MOFs, bekannt sind. Basierend auf erdreichen Materialien und bei Raumtemperatur könnten diese LEDs eines Tages kostengünstigere Fernseher und Unterhaltungselektronik, bessere Gammastrahlen-Bildgebungsgeräte und sogar autonome Systeme für Medizin, Sicherheitsscanning und wissenschaftliche Forschung ermöglichen. Versorgen Sie den Röntgendetektor mit Strom.
"Wir haben das Stabilitätsproblem von Perowskit-Materialien gelöst, indem wir sie in MOF-Strukturen eingekapselt haben", sagte Xuedan Ma, Wissenschaftler am Center for Nanoscale Materials (CNM) in Argonne, DOE's Office of User Facilities, "Unsere Forschung zeigt, dass dieser Ansatz es uns ermöglicht, die Helligkeit und Stabilität der lumineszierenden Nanokristalle dramatisch zu verbessern."
Hsinhan Tsai, ehemaliger JR Oppenheimer Postdoc an der Los Alamos University, fügte hinzu: "Das interessante Konzept, Perowskit-Nanokristalle in MOFs zu integrieren, wurde bereits in Pulverform demonstriert, aber dies ist das erste Mal, dass wir sie erfolgreich in die Emissionsschicht einer LED integriert haben. "
Bisherige Versuche, nanokristalline LEDs herzustellen, wurden durch den Abbau von Nanokristallen in unerwünschte Massenphasen behindert, die die Vorteile von Nanokristallen wegnehmen und ihr Potenzial als praktische LEDs verringern. Massenmaterial besteht aus Milliarden von Atomen. Materialien wie Perowskite bestehen auf der Nanoskala aus wenigen bis tausend Atomen und verhalten sich daher anders.
In ihrer neuen Methode stabilisierte das Team die Nanokristalle, indem es sie in einer Matrix des MOF herstellte, wie ein Tennisball, der von Stacheldraht geklemmt wird. Sie verwendeten Bleiknoten im Gerüst als Metallvorläufer und Halogenidsalze als organische Materialien. Die Halogenidsalzlösung enthält Methylammoniumbromid, das mit dem Blei im Gerüst reagiert und Nanokristalle um Bleikerne in der Matrix zusammensetzt. Da die Matrix die Nanokristalle getrennt hält, interagieren sie nicht und bauen sich nicht ab. Das Verfahren basiert auf einem Ein-Lösungs-Beschichtungsverfahren, das viel kostengünstiger ist als das Vakuumverfahren, das heute zur Herstellung anorganischer LEDs weit verbreitet ist.
MOF-stabilisierte LEDs können leuchtend rotes, blaues und grünes Licht und verschiedene Schattierungen jedes Lichts erzeugen.
"In dieser Arbeit zeigen wir zum ersten Mal, dass Perowskit-Nanokristalle, die in MOFs stabilisiert sind, helle, stabile LEDs in einer Vielzahl von Farben erzeugen", sagte Wanyi Nie, Wissenschaftler am Zentrum für integrierte Nanotechnologie am Los Alamos National Laboratory. "Wir können verschiedene Farben erzeugen, die Farbreinheit verbessern und die Photolumineszenz-Quantenausbeute erhöhen, ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, Licht zu emittieren."
Das Forschungsteam nutzte die Advanced Photon Source (APS) - DOEs Office of Science User Facility in Argonne -, um zeitaufgelöste Röntgenabsorptionsspektroskopie durchzuführen, eine Technik, die es ihnen ermöglichte, Veränderungen in Perowskitmaterialien im Laufe der Zeit zu entdecken. Forscher können die Bewegung von Ladungen durch das Material verfolgen und wichtige Informationen darüber erfahren, was passiert, wenn Licht emittiert wird.
"Wir können dies nur mit dem leistungsstarken einzelnen Röntgenpuls und der einzigartigen zeitlichen Struktur von APS tun", sagte Gruppenleiter Xiaoyi Zhang in der Röntgenwissenschaftsabteilung von Argonne, "Wir können geladene Teilchen in winzigen Perowskitkristallen verfolgen. s Position."
In Haltbarkeitstests schnitt das Material unter UV-Strahlung, Hitze und elektrischen Feldern gut ab, ohne sich zu verschlechtern und seine Lichterkennung und Lumineszenzeffizienz zu verlieren, eine Schlüsselbedingung für praktische Anwendungen wie Fernseher und Strahlungsdetektoren.
