Det är mellanmål:du har en vanlig havregrynskaka, och en hög med chokladflis. Båda är läckra på egen hand, men om du kan hitta ett sätt att kombinera dem smidigt, du får det bästa av två världar.

Forskare vid Edward S. Rogers Sr. Institutionen för el- och datateknik använde denna insikt för att uppfinna något helt nytt:de har kombinerat två lovande solcellsmaterial tillsammans för första gången, skapa en ny plattform för LED -teknik.

Teamet utformade ett sätt att bädda in starkt självlysande nanopartiklar som kallas kolloidala kvantprickar (chokladflisarna) i perovskit (havregrynkakan). Perovskiter är en familj av material som enkelt kan tillverkas av lösning, och som gör att elektroner kan röra sig snabbt genom dem med minimal förlust eller fångst av defekter.

Verket publiceras i den internationella tidskriften Natur den 15 juli, 2015.

"Det är en ganska ny idé att blanda ihop dessa två optoelektroniska material, som båda får mycket dragkraft, "säger Xiwen Gong, en av studiens ledande författare och en doktorand som arbetar med professor Ted Sargent. "Vi ville dra nytta av fördelarna med båda genom att kombinera dem sömlöst i en solid-state-matris."

Resultatet är en svart kristall som förlitar sig på perovskitmatrisen för att "tratta" elektroner in i kvantprickarna, som är extremt effektiva vid omvandling av el till ljus. Hypereffektiv LED-teknik kan möjliggöra applikationer från LED-lamporna i synligt ljus i varje hem, till nya skärmar, att gestigenkänning med hjälp av nära-infraröda våglängder.

"När du försöker sy ihop två olika kristaller, de bildar ofta separata faser utan att smälta smidigt in i varandra, säger Dr Riccardo Comin, en postdoktor i Sargent-gruppen. "Vi var tvungna att utforma en ny strategi för att =övertyga dessa två komponenter att glömma deras skillnader och snarare blandas till att bilda en unik kristallin enhet."

Den största utmaningen var att orientera de två kristallstrukturerna i linje, kallas heteroexpax. För att uppnå heteroepitaxy, Gong, Comin och deras team konstruerade ett sätt att ansluta de atomära 'ändarna' av de två kristallina strukturerna så att de anpassades smidigt, utan att det bildas defekter vid sömmarna. "Vi började med att bygga ett" skal "av nanoskala ställningar runt kvantprickarna i lösningen, sedan växte perovskitkristallen runt det skalet så att de två ansiktena var i linje, "förklarade medförfattaren Dr Zhijun Ning, som bidrog till arbetet medan han var postdoktor vid UofT och nu är fakultetsmedlem vid ShanghaiTech.

Det resulterande heterogena materialet är grunden för en ny familj av mycket energieffektiva nära-infraröda lysdioder. Infraröda lysdioder kan utnyttjas för förbättrad mörkerseende teknik, för bättre biomedicinsk avbildning, till höghastighets-telekommunikation.

Att kombinera de två materialen på detta sätt löser också problemet med självupptagning, som uppstår när ett ämne delvis återupptar samma energispektrum som det avger, med en nettoeffektivitetsförlust. "Dessa prickar i perovskit drabbas inte av reabsorption, eftersom utsläppet av prickar inte överlappar peropskites absorptionsspektrum, "förklarar Comin.

Gong, Comin och teamet har medvetet utformat sitt material för att vara kompatibelt med lösningsbearbetning, så det kan enkelt integreras med de mest billiga och kommersiellt praktiska sätten att tillverka solfilm och enheter. Deras nästa steg är att bygga och testa hårdvaran för att dra nytta av konceptet som de har bevisat med detta arbete.

"Vi ska bygga LED -enheten och försöka slå rekordeffektiviteten som rapporteras i litteraturen, säger Gong.