Ljusemitterande dioder (LED) frigör energi i form av ljus när elektroner och "hål" (elektronvakanser) rekombinerar som svar på en pålagd spänning. Under de senaste åren, forskare har riktat sin uppmärksamhet mot lysdioder baserade på hybridorganiska (kolinnehållande) och oorganiska material med samma kristallstruktur som mineralet perovskit. Till skillnad från de organiska lysdioderna som finns i vissa hemelektronik inklusive TV- och mobiltelefonskärmar, perovskitbaserade lysdioder är gjorda av billiga material som innehåller mycket jord som bly, halogener som jodid eller bromid, och positivt laddade organiska joner. Dessutom, perovskiter kan framställas i lösning vid rumstemperatur, till skillnad från de höga temperaturer och vakuumförhållanden som krävs av material i oorganiska lysdioder.

Särskilt, 2-D perovskiter inklämda mellan stora organiska molekyler - som fungerar som distanser i perovskitkristallgittret - har väckt stort intresse, inte bara på grund av deras lågkostnadsframställningsbarhet utan också deras förbättrade optoelektroniska egenskaper. Den höga färgrenheten, inställbarhet, och ljusstyrkan hos 2D-skiktade perovskiter gör dem till lovande material för nästa generations belysning och skärmar. Dessutom, den externa kvanteffektiviteten för perovskitbaserade lysdioder – förhållandet mellan antalet ljuspartiklar som emitteras från enheten och antalet elektroner som passerar genom enheten – har snabbt förbättrats.

Nu, ett team ledd av U.S. Department of Energys (DOE) Los Alamos National Laboratory i samarbete med Brookhaven och Argonne National Laboratories har visat att valet av organisk spacer avsevärt påverkar LED-prestanda. Genom att använda organiska spacers med atomer ordnade i en ring istället för en linjär kedja, forskarna ökade enhetens effektivitet med två storleksordningar (till cirka 12 procent) och ljusstyrkan med 70 gånger, med en luminans som närmar sig den för typiska gröna organiska lysdioder.

"De stora organiska distanserna skär 3D-perovskitkristallgittret i en 2D-skiktad struktur som består av grafenliknande atomark som vart och ett är mindre än en miljarddels meter tjockt, " förklarade Wanyi Nie, en vetenskapsman vid Center for Integrated Nanotechnologies (CINT) i Los Alamos.

I detta fall, forskarna jämförde lysdioder baserade på 2-D blybromidperovskiter med alkyl (linjär) eller bensyl (ring) organiska distanser. För att säkerställa en rättvis jämförelse mellan de två typerna av enheter, Nie och Hsinhan (Dave) Tsai—en J. Robert Oppenheimer Distinguished Postdoc Fellow vid Los Alamos—syntetiserade först högkvalitativa material och tillverkade högkristallina tunna filmer av perovskiterna under samma bearbetningsförhållanden. Sedan, de validerade filmernas kristallina struktur och orientering genom elektronmikroskopi och röntgenspridning.

Nästa, teamet studerade filmernas ljusemissionsegenskaper (fotoluminescens) vid Brookhavens Center for Functional Nanomaterials (CFN) och Argonnes Center for Nanoscale Materials (CNM).

Vid CFN Advanced Optical Spectroscopy and Microscopy Facility, personalforskaren Mircea Cotlet och forskarassistenten Mingxing Li från Soft and Bio Nanomaterials Group mätte filmernas fotoluminescensavklingning efter excitation med en ljuspuls.

"Kallt tidsupplöst optisk mikroskopi, denna teknik låter oss mäta hastigheten med vilken elektroner och hål rekombinerar, ger oss i sin tur information om laddningsoperatörens livslängder, " förklarade Cotlet.

"Våra mätningar visade att ljusexciterade bärare i bensylperovskiten har en livstid fem gånger längre än alkylperovskitens, " sa Li.

De förlängda bärarlivslängderna ökade luminescenseffektiviteten, vilket resulterar i ljusare ljusemission från bensylperovskiten.

På CNM, personalforskaren Xuedan Ma tillämpade högupplöst skanningslasermikroskopi för att kartlägga den rumsliga fördelningen av fotoluminescensen från filmerna. Denna kartläggning avslöjade att bensylperovskit tunna filmer hade en starkare, mer enhetlig emissionsintensitet.

"Vi observerade ganska betydande skillnader i utsläppsintensiteter och fördelningar för de olika typerna av filmer, vilket kan tillskrivas den distinkta bärardynamiken i materialen, " sa mamma.

För att koppla dessa fotofysiska egenskaper med elektronisk strukturdynamik, Xiaoyi Zhangs team vid Argonnes Advanced Photon Source (APS) utförde tidsupplöst röntgenabsorptionsspektroskopi.

"Denna metod förlitar sig på den unika timingstrukturen och kraftfulla enstaka röntgenpulser hos APS för att spåra mycket små förändringar som sker mycket snabbt, ", sa Zhang. "Den tidsupplösta röntgenabsorptionstekniken i sig är mycket känslig för laddningsförändringarna, så det kan berätta för oss absolut var laddningen är och hur den flödar inuti materialet."

Spektran visade en förändring i den elektroniska strukturen på bromidställena för endast bensylperovskiten.

"Hålen på bromidplatserna fastnar inte omedelbart i laddningsfällor, eller elektroniska defekter i materialet, " förklarade Tsai. "Hålen kan vänta på att elektroner ska dyka upp och kombineras för att generera ljus istället för slösaktig värme. Detta fenomen är relaterat till materialets 2D-kristallstruktur. Den stela, skrymmande bensylring påverkar den kristallina packningen av perovskiten, och därigenom förändras laddningstransport- och rekombinationsprocesserna."

Tillbaka i Los Alamos, Nie och Tsai satte ihop de tunna filmerna till lysdioder och mätte enhetens effektivitet och ljusstyrka. I en sista demonstration, de utförde ett livstidstest av den bensylperovskitbaserade lysdioden. Under kontinuerlig drift med hög insprutningsström och under omgivningsförhållanden, enheten varade i 25 minuter.

"Jämfört med organiska lysdioder, som kan hålla 100, 000 timmar, 25 minuter kan tyckas korta, ", sa Nie. "Men det är en förbättring om man betänker att perovskiter bara har börjat undersökas och de tenderar att vara känsliga för olika yttre förhållanden som fukt och pålagda spänningar. Detta framsteg tar oss ett steg framåt mot mer stabila perovskit-baserade lysdioder."

I uppföljningsstudier, teamet kommer att avgöra om inbäddning av 2D-perovskiterna i en organisk matris kan hjälpa till att förhindra nedbrytning. De kommer också att utforska andra organiska spacers som kan förbättra laddningsrekombinationseffekten.

"På grund av deras låga tillverkningsbarhet och önskvärda optoelektroniska egenskaper, 2-D perovskites är spännande inte bara för lysdioder utan även för andra applikationer, ", sa Tsai. "Dessa ljusemitterande material kan vara användbara för medicinsk röntgenavbildning, optisk kommunikation, och lasande, till exempel."