Några ljusdioder (lysdioder) skapade av perovskit, en klass av optoelektroniska material, avger ljus över ett brett våglängdsområde. Forskare från University of Groningen har nu visat att i vissa fall förklaringen till detta fenomen är felaktig. Deras nya förklaring bör hjälpa forskare att designa perovskit-lysdioder som kan ge ett brett spektrum av ljusemissioner. Studien publicerades i tidskriften Naturkommunikation den 11 maj.

Lågdimensionella (2-D eller 1-D) perovskiter avger ljus i ett smalt spektralområde och används därför för att göra ljusemitterande dioder med överlägsen färgrenhet. Dock, i vissa fall, forskare har noterat ett brett emissionsspektrum vid energinivåer under det smala spektrumet. Detta har väckt stort intresse eftersom det lättare kan användas för att producera LED -lampor i vitt ljus jämfört med nuvarande processer. För att designa perovskiter för specifika ändamål, dock, det är nödvändigt att förstå varför vissa perovskiter producerar bredspektrumutsläpp medan andra avger ett smalt spektrum.

Kvantindeslutning

Perovskiter är en mångsidig grupp av material med en distinkt kristallstruktur som kallas perovskitstrukturen. I en idealiserad kubisk enhetscell, anjoner bildar en oktaeder runt en central katjon medan kubens hörn är upptagna av andra, större katjoner. Olika joner kan användas för att skapa olika perovskiter.

I hybridperovskiter, katjonerna är organiska molekyler av olika storlekar. När storleken överstiger en viss dimension, strukturen blir tvådimensionell eller skiktad. Den resulterande kvantinneslutningen har stora konsekvenser för materialets fysiska egenskaper, och i synnerhet för de optiska egenskaperna.

Utsläpp

"Det finns många rapporter i litteraturen där, förutom de smala utsläppen från dessa lågdimensionella system, det finns ett brett lågenergispektrum. Och detta anses vara en inneboende egenskap hos materialet, säger Maria Loi, Professor i fotofysik och optoelektronik vid University of Groningen. Tidigare, forskare trodde att vibrationerna i octahedrons atomer kan "fälla" en upphetsad som anges i en självstängd exciton, eller självfångat upphetsat tillstånd, orsakar bredspektrumfotoluminescens, särskilt i dessa tvådimensionella system och i system där oktaedronerna är isolerade från varandra (noll-dimensionella).

Dock, observationer gjorda i Lois laboratorium tycks motsäga denna teori, säger Simon Kahmann, en postdoktor i hennes team. "En av våra studenter studerade enstaka kristaller av en blyjodidbaserad 2-D-perovskit och märkte att vissa kristaller avger grönt ljus och andra avger rött ljus. Detta är inte vad du kan förvänta dig om den breda röda emissionen var en inneboende egenskap hos detta material. "

Färg

Forskargruppen föreslog att defekter i dessa perovskiter kunde ändra färgen på utsänt ljus, . Därför, de bestämde sig för att testa den vanliga tolkningen med ett ad hoc -experiment. Loi säger, "I den accepterade teoretiska förklaringen, excitationerna bör vara större än bandgapet för att producera bred emission. "Bandgapet är energiskillnaden mellan toppen av valensbandet och botten av ledningsbandet.

Med laserljus i olika färger, och därför av olika energier, de studerade kristallernas utsläpp. "Vi noterade att när vi använde fotoner under bandgap -energin, det stora utsläppet uppstod fortfarande, "säger Loi." Detta borde inte ha hänt enligt den vanliga tolkningen. "

Deras förklaring är att ett defekttillstånd med en energinivå inuti bandgapet styr den breda emissionen och den stora färgvariationen hos kristallerna. "Vi tror att det är en kemisk defekt i kristallen, förmodligen relaterad till jodid, som orsakar tillstånd inuti bandgapet, "säger Kahmann. Således, de breda utsläppen är inte en inneboende egenskap hos materialet, men orsakas av en yttre effekt. Kahmann:"Vid det här laget, Vi kan inte helt utesluta att detta är en finurlighet av blyjodidperovskiter men det är troligtvis en allmän egenskap hos lågdimensionella perovskiter. "Detta fynd har djupgående konsekvenser, förklarar Loi. "Om vi ​​vill förutsäga nya och bättre föreningar som generellt avger ljus, vi måste förstå ursprunget till denna utsläpp. Vi bör inte luras av denna kameleont. "

För drygt 10 år sedan, en klass av material flyttade in i vetenskaplig forskning. Dessa material kan omvandla ljus till elektricitet eller el till ljus:hybridperovskiter. Dessa kan användas i solceller, detektorer av ljus eller röntgenstrålar, men de kan också användas som ljusdioder. Vissa perovskiter avger ljus över ett smalt våglängdsband medan andra producerar bredbandsemissioner som kan användas för att producera vitt ljus. Forskare från University of Groningen har nu visat att det breda utsläppet i 2-D blyjodidperovskiter inte är en egenskap hos materialet. Det betyder att det inte är särskilt effektivt. Detta innebär att optiska undersökningar av denna materialklass ska tolkas med omsorg.