University of California, Berkeley, forskare har skapat en blå ljusdiod (LED) av ett trendigt nytt halvledarmaterial, halogenidperovskit, övervinna ett stort hinder för att använda dessa billiga, lätt att göra material i elektroniska apparater.

I processen, dock, forskarna upptäckte en grundläggande egenskap hos halogenidperovskiter som kan vara ett hinder för deras utbredda användning som solceller och transistorer.

Alternativt, denna unika egendom kan öppna en helt ny värld för perovskiter långt utöver den för dagens vanliga halvledare.

I ett papper som visas den 24 januari i tidningen Vetenskapliga framsteg , UC Berkeley -kemisten Peidong Yang och hans kollegor visar att kristallstrukturen hos halogenidperovskiterna förändras med temperaturen, luftfuktighet och den kemiska miljön, stör deras optiska och elektroniska egenskaper. Utan nära kontroll av den fysiska och kemiska miljön, perovskite -enheter är i sig instabila. Detta är inte ett stort problem för traditionella halvledare.

"Vissa människor kan säga att detta är en begränsning. För mig, detta är ett bra tillfälle, "sa Yang, S. K. och Angela Chan Distinguished Chair in Energy in the College of Chemistry och chef för Kavli Energy NanoSciences Institute. "Detta är ny fysik:en ny klass av halvledare som enkelt kan omkonfigureras, beroende på vilken typ av miljö du sätter dem i. De kan vara en riktigt bra sensor, kanske en riktigt bra fotoledare, eftersom de kommer att vara mycket känsliga i sitt svar på ljus och kemikalier. "

Nuvarande halvledare av kisel eller galliumnitrid är mycket stabila över ett intervall av temperaturer, främst för att deras kristallstrukturer hålls samman av starka kovalenta bindningar. Halogenidperovskitkristaller hålls samman av svagare joniska bindningar, som de i en saltkristall. Det betyder att de är lättare att göra - de kan förångas ur en enkel lösning - men också känsliga för fukt, värme och andra miljöförhållanden.

"Det här papperet handlar inte bara om att visa upp att vi gjorde den här blå lysdioden, "sa Yang, som är en senior fakultetsvetare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och en UC Berkeley professor i materialvetenskap och teknik. "Vi berättar också för människor att vi verkligen måste uppmärksamma den strukturella utvecklingen av perovskiter under driften av enheten, varje gång du kör dessa perovskiter med elektrisk ström, om det är en LED, en solcell eller en transistor. Detta är en inneboende egenskap hos denna nya klass av halvledare och påverkar eventuell optoelektronisk enhet i framtiden som använder denna materialklass. "

Den blå dioden blues

Att göra halvledardioder som avger blått ljus har alltid varit en utmaning, Sa Yang. Nobelpriset för fysik 2014 tilldelades för det genombrott som skapade effektiva blått ljusemitterande dioder från galliumnitrid. Dioder, som avger ljus när en elektrisk ström strömmar genom dem, är optoelektroniska komponenter i fiberoptiska kretsar samt LED -lampor för allmänt bruk.

Eftersom halogenidperovskiter först väckte stor uppmärksamhet 2009, när japanska forskare upptäckte att de tillverkar mycket effektiva solceller, dessa lättgjorda, billiga kristaller har upphetsat forskare. Än så länge, röda och grönemitterande dioder har visats, men inte blått. Halogenperovskitblåemitterande dioder har varit instabila-det vill säga deras färg ändras till längre, rödare våglängder vid användning.

Som Yang och hans kollegor upptäckte, detta beror på den unika karaktären hos perovskiternas kristallstruktur. Halogenidperovskiter består av en metall, såsom bly eller tenn, lika många större atomer, såsom cesium, och tre gånger antalet halogenidatomer, såsom klor, brom eller jod.

När dessa element blandas ihop i lösning och sedan torkas, atomerna samlas till en kristall, precis som salt kristalliseras från havsvatten. Med hjälp av en ny teknik och ingredienserna cesium, bly och brom, kemisterna i UC Berkeley och Berkeley Lab skapade perovskitkristaller som avger blått ljus och bombarderade dem sedan med röntgenstrålar vid Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) för att bestämma deras kristallina struktur vid olika temperaturer. De fann att vid uppvärmning från rumstemperatur (cirka 300 Kelvin) till cirka 450 Kelvin, en vanlig driftstemperatur för halvledare, kristallens klämda struktur expanderade och till slut sprang in i en ny ortorhombisk eller tetragonal konfiguration.

Eftersom ljuset från dessa kristaller beror på arrangemanget och avstånden mellan atomer, färgen ändrades med temperaturen, också. En perovskitkristall som avgav blått ljus (450 nanometer våglängd) vid 300 Kelvin avgav plötsligt blågrönt ljus vid 450 Kelvin.

Yang tillskriver perovskites flexibla kristallstruktur till de svagare jonbindningarna som är typiska för halogenidatomer. Naturligt förekommande mineralperovskit innehåller syre istället för halogenider, producerar ett mycket stabilt mineral. Kiselbaserade och galliumnitrid halvledare är på samma sätt stabila eftersom atomerna är länkade med starka kovalenta bindningar.

Gör blå-avgivande perovskiter

Enligt Yang, Blåemitterande perovskitdioder har varit svåra att skapa eftersom standardtekniken för att odla kristallerna som en tunn film uppmuntrar bildandet av blandade kristallstrukturer, var och en avger vid en annan våglängd. Elektroner dras ner till de kristallerna med minsta bandgap - det vill säga det minsta utbudet av otillåtna energier - innan du avger ljus, som tenderar att vara röd.

För att undvika detta, Yangs postdoktorer och medförfattare-Hong Chen, Jia Lin och Joohoon Kang - blev singel, skiktade kristaller av perovskit och, anpassa en lågteknologisk metod för att skapa grafen, använde tejp för att avlägsna ett enda lager av enhetlig perovskit. När den är inkorporerad i en krets och zappad med elektricitet, perovskiten glödde blått. Den faktiska blåa våglängden varierade med antalet lager av oktaedriska perovskitkristaller, som separeras från varandra med ett lager av organiska molekyler som möjliggör enkel separation av perovskitskikt och skyddar också ytan.

Ändå, SLAC-experimenten visade att de blåemitterande perovskiterna ändrade sina utsläppsfärger med temperaturen. Den här egenskapen kan ha intressanta tillämpningar, Sa Yang. Två år sedan, han demonstrerade ett fönster av halogenidperovskit som blir mörkt i solen och transparent när solen går ner och som också producerar solceller.

"Vi måste tänka på olika sätt att använda denna klass av halvledare, "sa han." Vi bör inte lägga halogenidperovskiter i samma applikationsmiljö som en traditionell kovalent halvledare, som kisel. Vi måste inse att denna materialklass har inneboende strukturella egenskaper som gör den redo att omkonfigurera. Vi borde utnyttja det. "