Ett nytt perspektiv för utvecklingen av nya kandidater av alkalikoppar(I)halider och Cs5Cu3Cl6I2 kan vara ett lovande blåemitterande material med giftfria element, hög kvanteffektivitet, och omgivande stabilitet. Kredit:Tokyo Tech
Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har upptäckt en ny alkalisk kopparhalogenid, Cs 5 Cu 3 Cl 6 jag 2 , som avger rent blått ljus. Kombinationen av de två halogenidjonerna, klorid och jodid, ger materialet en kristallin struktur gjord av sicksackkedjor och säregna egenskaper som resulterar i högeffektiv fotoluminescens. Denna nya förening kan lätt användas för att producera relativt billiga och miljövänliga vita lysdioder och minska energin som används för att generera vardagsljus.
Artificiellt ljus står för cirka 20 % av den totala elförbrukningen globalt. Med tanke på den nuvarande miljökrisen, detta gör upptäckten av energieffektiva ljusavgivande material särskilt viktig, speciellt de som producerar vitt ljus. Under det senaste decenniet, tekniska framsteg inom halvledarbelysning, delområdet för halvledarforskning som rör ljusemitterande föreningar, har lett till den utbredda användningen av vita lysdioder. Dock, de flesta av dessa lysdioder är faktiskt ett blått LED-chip belagt med ett gult självlysande material; det utsända gula ljuset i kombination med det återstående blåa ljuset ger den vita färgen.
Därför, ett sätt att minska energiförbrukningen för moderna vita LED-lampor är att hitta bättre blåemitterande halvledare. Tyvärr, inga kända blåemitterande föreningar var samtidigt mycket effektiva, lätt att bearbeta, hållbar, miljövänlig, och gjorda av rikligt med material – fram till nu.
I en nyligen genomförd studie, publicerad i Avancerade material , ett team av forskare från Tokyo Institute of Technology, Japan, upptäckte en ny alkalikopparhalogenid, Cs 5 Cu 3 Cl 6 jag 2 , som uppfyller alla kriterier. Till skillnad från Cs 3 Cu 2 jag 5 , ännu en lovande blåstrålande kandidat för framtida enheter, den föreslagna föreningen har två olika halogenider, klorid och jodid. Även om blandade halogenidmaterial har prövats tidigare, Cs 5 Cu 3 Cl 6 jag 2 har unika egenskaper som kommer specifikt från användningen av I- och Cl-joner.
Det visar sig att Cs 5 Cu 3 Cl 6 jag 2 bildar en endimensionell sicksackkedja av två olika underenheter, och länkarna i kedjan är uteslutande överbryggade av I-joner. Forskarna hittade också en annan viktig egenskap:dess valensband, som beskriver energinivåerna för elektroner i olika positioner av materialets kristallina struktur, är nästan platt (med konstant energi). I tur och ordning, denna egenskap gör fotogenererade hål – positivt laddade pseudopartiklar som representerar frånvaron av en fotoexciterad elektron – "tyngre". Dessa hål tenderar att bli immobiliserade på grund av deras starka interaktion med I-joner, och de binder lätt till närliggande fria elektroner för att bilda ett litet system som kallas en exciton.
Excitoner inducerar förvrängningar i kristallstrukturen. Ungefär som det faktum att man skulle ha problem med att röra sig ovanpå ett upphängt stort nät som är avsevärt deformerat av ens egen vikt, excitonerna blir fångade på plats av sin egen effekt. Detta är avgörande för den mycket effektiva genereringen av blått ljus. Professor Junghwan Kim, som ledde studien, förklarar:"De självfångade excitonerna är lokala former av optiskt exciterad energi; den slutliga rekombinationen av deras konstituerande elektron-hålpar orsakar fotoluminescens, emissionen av blått ljus i detta fall."
Förutom dess effektivitet, Cs 5 Cu 3 Cl 6 jag 2 har andra attraktiva fastigheter. Den består uteslutande av rikliga material, vilket gör det relativt billigt. Dessutom, den är mycket stabilare i luft än Cs 3 Cu 2 jag 5 och andra alkalikopparhalogenidföreningar. Forskarna fann att prestanda för Cs 5 Cu 3 Cl 6 jag 2 bröts inte ned när de lagrades i luft i tre månader, medan liknande ljusavgivande föreningar presterade sämre efter bara dagar. Till sist, Cs 5 Cu 3 Cl 6 jag 2 kräver inte bly, ett mycket giftigt element, vilket gör det miljövänligt överlag.
Prof. Kim avslutade, "Våra resultat ger ett nytt perspektiv för utvecklingen av nya alkalikopparhalogenidkandidater och visar att Cs 5 Cu 3 Cl 6 jag 2 kan vara ett lovande blått-emitterande material." Ljuset från detta team av forskare kommer förhoppningsvis att leda till mer effektiv och miljövänlig belysningsteknik.
