Ny forskning beskriver hur en klass av elektroluminiscerande material, nyckelkomponenter i enheter som LED-lampor och solceller, kan utformas för att fungera mer effektivt. Publicerad i Nature Photonics , de kombinerade ansträngningarna av experimentella och teoretiska forskare ger insikter om hur dessa och andra liknande material skulle kunna användas för nya tillämpningar i framtiden.

Detta arbete var resultatet av ett samarbete mellan Penn, Seouls nationella universitet, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, University of Tennessee, University of Cambridge, Universitat de Valencia, Harbin Institute of Technology, och University of Oxford.

Två år sedan, Penns teoretiske kemist Andrew M. Rappe besökte labbet av Tae-Woo Lee vid Seoul National University, och diskussionen handlade snart om huruvida de kunde utveckla en teori för att förklara några av deras experimentella resultat. Materialet de studerade var formamidinium blybromid, en typ av metallhalogenid perovskit nanokristall (PNC). Resultat som samlats in av Lee-gruppen verkade indikera att gröna lysdioder gjorda med detta material fungerade mer effektivt än förväntat. "Så fort jag såg deras data, Jag blev förvånad över sambandet mellan de strukturella, optisk, och ljuseffektivitetsresultat. Något speciellt måste hända, säger Rappe.

PNC:er som formamidinium blybromid används i solceller, där de kan lagra energi som elektricitet eller omvandla elektrisk ström till ljus i ljusemitterande enheter (LED). I lysdioder, elektroner transporteras från en elektronrik (n-typ) region till en hög energinivå i en elektronfattig (p-typ) region, där de hittar ett tomt lågenergitillstånd, eller "hål, " att falla ner i och avge ljus. Ett materials effektivitet bestäms av hur väl det kan omvandla ljus till elektricitet (eller vice versa), vilket beror på hur lätt en exciterad elektron kan hitta ett hål och hur mycket av den energin som går förlorad till värme.

För att förstå Lee-gruppens resultat, Penn postdoc Arvin Kakekhani började arbeta med Young-Hoon Kim och Sungjin Kim från Seoul National University för att utveckla en beräkningsmodell av materialets oväntade effektivitet och för att utforma riktade uppföljningsexperiment för att bekräfta dessa nya teorier. "Vi tillbringade mycket tid med att korslänka experiment och teori för att rationalisera varje enskild experimentell observation som vi har, säger Kakekhani om forskningsprocessen.

Efter månader av utbyte av idéer och avgränsning av potentiella teorier, forskarna utvecklade en teoretisk modell med en metod som kallas densitetsfunktionsteori, ett modelleringssätt som bygger på matematiska teorier från kvantmekaniken. Även om DFT har använts inom området i många år, implementeringarna av denna teori kan nu effektivt införliva effekterna av små, delokaliserade kvantmekaniska interaktioner, känd som van der Waals styrkor, som är kända för att spela en viktig roll i beteendet hos mjuka material som liknar de PNC:er som används i denna studie.

Med deras nya modell, forskarna fann att PNC:erna var mer effektiva om storleken på kvantprickarna var mindre, eftersom sannolikheten att en elektron skulle hitta ett hål var mycket större. Men eftersom en minskning av en partikels storlek också innebär att dess yta-till-volymförhållande, detta betyder också att det finns fler platser längs materialets yta som är utsatta för defekter, där energi från elektroner lätt kan gå förlorad.

För att möta båda utmaningarna, forskarna fann att en enkel kemisk substitution, ersätter formamidinium med en större organisk katjon som kallas guanidinium, gjorde partiklarna mindre samtidigt som materialets strukturella integritet bevarades genom att fler vätebindningar kunde bildas. Att bygga vidare på denna legeringsmetod, forskarna hittade ytterligare strategier för att förbättra effektiviteten, inklusive tillsats av långkedjiga syror och aminer för att stabilisera ytjoner och tillägg av defektläkande grupper för att "läka" eventuella vakanser som kan bildas.

Som teoretisk kemist, en sak som stod ut för Kakekhani var hur väl modellens förutsägelser och experimentella data passade ihop, vilket han delvis tillskriver att han använder en teori som inbegriper van der Waals krafter. "Du passar inte in parametrar som gör teorin specifik för experimentet, " säger han. "Det är mer som första principer, och den enda kunskap vi har är vilken typ av atomer materialen har. Det faktum att vi förutspådde resultaten baserat på nästan rena matematiska operationer och kvantmekaniska teorier i våra datorer, i nära överensstämmelse med vad våra experimentella kollegor hittade i sina labb, var spännande."

Medan den aktuella studien ger specifika strategier för material som har potential för utbredd användning som solceller och lysdioder, denna strategi är också något som skulle kunna antas mer generellt inom materialvetenskapens område. "Avancemang av Internet of Things och strävan mot optoelektronisk beräkning kräver båda effektiva ljuskällor, och dessa nya perovskitbaserade lysdioder kan leda vägen, säger Rappe.

För Kakekhani, detta arbete belyser också vikten av detaljerade, teoridrivna insikter för att få en grundlig förståelse för ett komplext material. "Om du inte i grunden vet vad som pågår och vad som är den bakomliggande orsaken, då är det inte riktigt utdragbart till andra material, " säger Kakekhani. "I den här studien, Att ha den där långa tiden för att försöka utesluta teorier som faktiskt inte fungerade var användbart. I slutet, vi hittade ett riktigt djupt skäl som var självständigt. Det tog mycket tid, men jag tycker att det var värt det."