Mekanisk undersökning av PLQY i Cs2Ag1 − xNaxInCl6. a) Övergångsdipolmoment (µ) i Cs2Ag1 − xNaxInCl6 som en funktion av Na -innehållet i systemet. b) Paritetsförändring av elektronvågfunktionen hos STE före och efter Na -införlivande (ren och legering). De cyan och magenta isosytorna indikerar elektroner och hål c) Konfigurationer som visar förstärkt STE -inneslutning av omgivande NaCl6 -oktaheder. d) STE i Na-rika Cs2Ag1-xNaxInCl6. STE ligger i två angränsande oktaeder. e) Konfigurationskoordinatdiagram över STE -formationen i Cs2NaInCl6 (infälld). Kreditera: Natur , doi:https://doi.org/10.1038/s41586-018-0691-0.
En femtedel av den globala elförbrukningen är baserad på belysning; effektiv och stabil vitljusutsläpp med enstaka material är idealisk för applikationer. Fotonemission som täcker hela det synliga spektrumet är, dock, svårt att uppnå med ett enda material. Metallhalogenidperovskiter, till exempel, har enastående utsläppsegenskaper men innehåller bly, och ger därför otillfredsställande stabilitet. En ny rapport publicerad av Jiajun Luo och medarbetare beskriver en blyfri dubbel perovskit som uppvisade stabil och effektiv vitljusemission. I sin verkningsmekanism, materialet producerade självklämda excitoner (STE) på grund av Jahn-Teller-snedvridning av AgCl 6 oktaeder i komplexets upphetsade tillstånd, observerades vid undersökning av exciton-fononkoppling i kristallgitteret. Resultaten publiceras nu i Natur .
Vitt ljusemission från ett enda emitterlager är av intresse för belysningstillämpningar på grund av dess enkelhet jämfört med flera emitter. Vanligtvis, bredbands- och vitt ljusutsläpp härrör från självlåsade excitoner (STE) som finns i halvledare med lokaliserade bärare och ett mjukt gitter. Författarna fokuserade på den dubbla perovskiten Cs 2 AgInCl 6 som ett lovande material som avger varmt vitt ljus på grund av sitt breda spektrum och allt oorganiskt, blyfri natur. Studien optimerade legeringen för att bilda Cs 2 (Ag 0,6 Na 0,4 ) InCl 6 med en liten andel vismutdopning för att avge varmt vitt ljus med ökad kvanteffektivitet i mer än 1000 timmar. Material för belysningstillämpningar kan definieras som de som avger ett "varmt" vitt ljus för inomhusapplikationer och "kallt" vitt ljus som närmar sig det synliga området i solspektrumet. I studien, Luo et al försökte först förstå ursprunget till bredbandsutsläpp i Cs 2 AgInCl 6 med hjälp av matematisk modellering och beräkningsstudier för att slappna av gitteret och representera självinstängda excitoner (STE) för att undersöka exciton-fononkoppling. Sådana system kommer att vara grundläggande för att utveckla nästa generation av energieffektiva och kostnadseffektiva ljus- och displaytekniker.
En självstängd exciton (STE) definieras som en bunden elektronhålsparebärare som dramatiskt kan förbättra luminescens, energitransport och gitterdefektbildning i kristallen. Forskarna fann att STE i den dubbla perovskiten Cs 2 AgInCl 6 , uppstod från stark Jahn-Teller-snedvridning av integrerade AgCl 6 oktaederkomplex. De fångade excitonerna hade en liknande orbital karaktär som den fria excitonen, indikerar paritetsförbjuden övergång (uppstår på grund av störning av symmetricentrum). Den teoretiska analysen visade ett extremt lågt fotoluminescenskvantutbyte (PLQY) för rena Cs 2 AgInCl 6. För att förbättra PLQY för praktiska tillämpningar som bredbandsmaterial, systemet måste modifieras, specifikt genom att bryta paritetsförbjuden övergång för att manipulera symmetrin för STE-vågfunktionen.
Vitt ljusemission från Cs2Ag1 -xNaxInCl6. a) Ljusstyrka (streckad linje) och fotoluminescensspektra (heldragna linjer) av Cs2Ag0.6Na0.4InCl6 mätt vid olika temperaturer från 233 K till 343 K. b) Fotoluminescensstabilitet för Cs2Ag0.60Na0.40InCl6 mot kontinuerlig uppvärmning på en kokplatta, mätt efter kylning till rumstemperatur. c) Driftstabilitet för Cs2Ag0.6Na0.4InCl6 nedkonverteringsenheter mätt i luft utan inkapsling. Boxplot visade resultaten för de olika proverna mätt separat med rutkanterna som representerar kvartiler och band i rutan som representerar medelvärdet och maximala data. d) XRD -mönster för en Cs2Ag0.6Na0.4InCl6 -film (svart linje) och pulver (röd linje). Insatsen visar ett 300 nm tjockt kvartssubstrat och 500 nm tjocka Cs2Ag0.6Na0.4InCl6 -filmer under 254 nm UV -belysning. Kreditera: Natur , doi:https://doi.org/10.1038/s41586-018-0691-0.
Ett praktiskt tillvägagångssätt för att uppnå detta var genom partiell substitution av Ag med ett element som kunde upprätthålla den dubbla perovskitstrukturen. Ersättaren krävde en distinkt annan elektronisk konfiguration än Ag, såsom ett grupp-IA-element eller alkalimetall. Forskarna undersökte därför legering av Na till Cs 2 AgInCl 6 för att bilda rena Cs 2 NaInCl 6, som visade bredbandsemission vid substitution men med mycket låg effektivitet på grund av starkt fononemission, kräver optimering av Na -innehållet i komplexet.
Eftersom gallret inte matchar de två perovskiterna (Cs 2 AgInCl 6 ochCs 2 NaInCl 6 ) var mycket låg (0,3 procent) forskarna förväntade sig Na + inkorporering skulle ske utan skadliga defekter eller fasseparation. För syntesen, CsCl, NaCl, AgCl och InCl 3 prekursorer blandades i en HCl -lösning i en hydrotermisk autoklav. Blandningen upphettades under en bestämd tidsperiod och kyldes ned för att resultera i en slutlig vit fällningsprodukt (90 procent utbyte). Den rena dubbelperovskitfasen bekräftades med användning av röntgendiffraktionsmönster (XRD) av en serie produktkompositioner. Resultaten överensstämde med plasma optisk emissionsspektrometri (ICP-OES). Resultaten överensstämde också med liknande legeringsförsök som tidigare utfördes med litium (Li). Studien föreslog således en allmän trend för alkalimetallinducerad fotoluminescerande förbättring i dubbla perovskiter.
Fotoluminescensspektra registrerades för en serie produktpulver genom att variera temperaturen på mätningarna. Författarna optimerade Na -innehållet tillsammans med vismut (Bi 3+ ) dopning för att förbättra kristallkvaliteten och långsam kylning för att få den högsta PLQY (85 ± 5 procent) som hittills registrerats för vitljusemitterande material för att bilda de optimerade legerade Cs 2 Ag 0,6 Na 0,4 InCl 6 i studien.
Karakterisering av Cs2AgxNa1 -xInCl6 med olika Na -innehåll. Alla prover dopades med användning av en liten mängd (0,04 procent) Bi och kompositionen bestämdes med användning av ICP-OES. a) XRD -mönster för Cs2AgxNa1 -xInCl6 -pulver med olika Na -innehåll erhölls. Asterix markerar (III) diffraktionstoppen, θ diffraktionsvinkel och au - godtyckliga enheter. b) Optisk absorption (heldragna linjer) och fotoluminescens (streckade linjer) spektra av rena Cs2AgInCl6 och Cs2Ag0.6Na0.4InCl6. c) Aktiveringsenergi och PLQY av Cs2AgxNa1 -xInCl6 -pulver kontra Na -innehåll. De streckade linjerna leder ögat. d) Excitationsspektra för fotoluminescens mätt vid olika våglängder. e) Emissionsintensitet kontra excitationseffekt för Cs2Ag0.6Na0.4InCl6. f) Övergående absorptionsspektra för Cs2Ag0.6Na0.4InCl6 (laserpuls på 325 nm), ∆ A/A är optisk densitet. De oregelbundna topparna som ligger vid ~ 650 nm är från frekvensfördubbling av pumpljuset. Kreditera: Natur , doi:https://doi.org/10.1038/s41586-018-0691-0.
Fotoluminescens-excitation (PLE) -spektra bekräftade STE-ursprunget för den vita emissionen för att experimentellt bekräfta den beräknade tidsskalan för excitons självinfångning. Na perovskiten (Cs 2 Ag 0,6 Na 0,4 InCl 6 ) uppvisade linjärt beroende av fotoexcitationskraften. Ytterligare teoretiska tester gjordes för att förstå hur PLQY varierade beroende på Na -innehållet.
När Na -halten ökade, övergångsdipolmomentet ökade och minskade sedan för att stödja den sammansättningsberoende PLQY som observerades i studien. Elektronvågfunktionen hos STE jämfördes också före och efter legering med Na. Att införliva Na bröt inversionssymmetrin hos Cs 2 AgInCl 6 gitter, ändra elektronvågfunktionen på Ag -platsen från symmetrisk till asymmetrisk. Två faktorer bidrog till minskningen av PLQY vid ytterligare ökning av Na -halten. Den första var orbitalöverlappning mellan elektroner och hål i STE:erna vid ökad Na -halt. Den andra orsaken till den observerade minskningen av PLQY med ökad Na berodde på ökad icke-strålningsförlust i den Na-rika legeringen.
Schematiskt visualisera fononbandstrukturen för Cs2AgInCl6 och zonläget Jahn-Teller fononläge (infälld). Jahn-Teller-fononläget kopplat till de fotoexciterade excitonerna var ansvariga för bildandet av självinstängda excitoner i Cs2AgInCl6-komplexet. Kreditera: Natur , doi:https://doi.org/10.1038/s41586-018-0691-0
En viktig utmaning för belysningstillämpningar är parametern för emissionsstabilitet. Cs 2 Ag 0,6 Na 0,4 InCl 6 perovskit visade stabila utsläpp i studien med liten utsläppsnedbrytning. När pulvret glödgades till en kokplatta, endast minimal fotoluminescensförfall av den vita emissionen observerades, författarna föreslog att observationerna kan bero på starkt bundna excitoner och ett nästan defektfritt gitter som förhindrade släckning av fotoluminescens samtidigt som den motstod termisk stress.
Beräkningsstudier av självinstängda excitoner (STE) i Cs2AgInCl6. a) GW -bandstruktur för den dubbla perovskitkristallen (Cs2AgInCl6). Orbitalkaraktärerna och fri-excitonvågfunktionen ritas som en fettbandstruktur. Den gröna, blå, cyan och röda färger betecknar Cl 3p, Ag 4d, I 5s och Ag 5s orbitaler. Magentacirklarna representerar den lägsta fri-excitonamplituden. b) STE i Cs2AgInCl6, Cs -atomer utelämnas för tydlighetens skull. Cyan och magenta isosytor representerar elektronens respektive hålets orbital densiteter. Elektrontillståndet (röd streckad cirkel) förlängs och håltillståndet (svart streckad cirkel) är kompakt, överensstämmer med den lilla effektiva massan av ledningsbandet som ses i (a). Insatsen visar Jahn-Teller-förvrängningen av AgCl6-oktahedronen. Hålets isyta är uppenbar och elektronisosytan osynlig på grund av dess lilla densitet. c) Konfigurationskoordinatdiagram för STE -formationen; Est, Ed och EPL är självfällande, gitterdeformation och utsläppsenergier. d) Det beräknade fotoluminescensspektrumet jämfört med det experimentella resultatet. Den beräknade kurvan förskjutits för att anpassa sitt max till den för den experimentellt uppmätta kurvan för bättre jämförelse. Kreditera: Natur , doi:https://doi.org/10.1038/s41586-018-0691-0
Forskarna utvecklade sedan en vit lysdiod (LED) genom att direkt trycka på Na perovskitpulver på ett kommersiellt ultraviolett LED -chip, utan kapsling av epoxi eller kiseldioxid för skydd. Med bidrag från det blå ljuset från UV LED -chipet visade enheten en färgtemperatur på 4, 054 K för att uppfylla kraven för inomhusbelysning. När den vita lysdioden användes i mer än 1000 timmar i luft, försumbar nedbrytning observerades. Den enastående fotometriska prestandan i kombination med enkel tillverkning indikerade lovande för vitfosforbelysning.
På det här sättet, forskarna presenterade en ny strategi för att producera bredbandsemission som är associerad med STE för enkelmaterialbaserad vitljuselektroluminescens, möjliggör bildning av dubbel-perovskitbaserad elektroluminescensanordning. För att öka elektroluminiscensprestandan i framtiden, ytterligare forskning bör inriktas på att optimera Cs:s emitterande skiktkvalitet 2 Ag 0,6 Na 0,4 InCl 6 filmer. Studien visade att legering av Na i Cs 2 AgIn Cl 6 bröt paritetsförbjuden övergång som förväntat för att minska dess elektroniska dimension och möjliggöra effektiv vitljusutsläpp via STE.
Det vita ljusemitterande materialet visade också lågkostnadstillverkning och exceptionell stabilitet som en lovande plattform för halvljusbelysning. Författarna tror att sådana halogenid dubbla perovskiter har stor möjlighet för applikationer i display och belysning efter ytterligare studier för att förverkliga sin fulla potential. Resultaten kommer att stimulera forskning om enkelsändare-baserade vita ljusemitterande fosforer och dioder för att generera nästa generations belysning och displayteknik.
© 2018 Science X Network
