Ett genombrott för att stabilisera nanokristaller introducerar en låg kostnad, energieffektiv ljuskälla för konsumentelektronik, detektorer och medicinsk bildbehandling.

Ljusemitterande dioder (LED) är en obesjungen hjälte inom belysningsindustrin. De kör effektivt, avger lite värme och håller länge. Nu tittar forskare på nya material för att göra mer effektiva och längre livslängd lysdioder med applikationer inom hemelektronik, medicin och säkerhet.

Forskare från det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Los Alamos National Laboratory och SLAC National Accelerator Laboratory rapporterar att de har förberett stabila perovskit-nanokristaller för sådana lysdioder. Till insatsen bidrog också Academia Sinica i Taiwan.

Perovskiter är en klass av material som delar en speciell kristallin struktur som ger dem ljusabsorberande och ljusavgivande egenskaper som är användbara i en rad energieffektiva tillämpningar, inklusive solceller och olika sorters detektorer.

Perovskite nanokristaller har varit främsta kandidater som ett nytt LED-material men har visat sig vara instabila vid testning. Forskargruppen stabiliserade nanokristallerna i en porös struktur som kallas ett metallorganiskt ramverk, eller MOF för kort. Baserat på jordnära material och tillverkade vid rumstemperatur, dessa lysdioder kan en dag möjliggöra billigare TV-apparater och hemelektronik, såväl som bättre gammastrålningsanordningar och till och med självdrivna röntgendetektorer med tillämpningar inom medicin, säkerhetsskanning och vetenskaplig forskning.

"Vi attackerade stabilitetsfrågan för perovskitmaterial genom att kapsla in dem i MOF-strukturer, " sa Xuedan Ma, forskare vid Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science User Facility. "Våra studier visade att detta tillvägagångssätt tillåter oss att förbättra ljusstyrkan och stabiliteten hos de ljusemitterande nanokristallerna avsevärt."

Hsinhan Tsai, en före detta J.R. Oppenheimer postdoc-stipendiat vid Los Alamos, Lagt till, "Det spännande konceptet att kombinera perovskit nanokristall i MOF hade demonstrerats i pulverform, men det här är första gången vi framgångsrikt integrerat det som emissionslager i en LED."

Tidigare försök att skapa nanokristall-lysdioder omintetgjordes av att nanokristallerna degraderades tillbaka till den oönskade bulkfasen, förlorar sina nanokristallfördelar och undergräver deras potential som praktiska lysdioder. Bulkmaterial består av miljarder atomer. Material som perovskiter i nanofasen är gjorda av grupperingar av bara några till några tusen atomer, och därmed beter sig annorlunda.

I sitt nya tillvägagångssätt, forskargruppen stabiliserade nanokristallerna genom att tillverka dem inom matrisen av en MOF, som tennisbollar fångade i ett stängsel med kedjelänkar. De använde blynoder i ramverket som metallprekursor och halogenidsalter som organiskt material. Lösningen av halogenidsalter innehåller metylammoniumbromid, som reagerar med bly i ramverket för att montera nanokristaller runt blykärnan som fångas i matrisen. Matrisen håller nanokristallerna åtskilda, så att de inte interagerar och försämras. Denna metod är baserad på en lösningsbeläggningsmetod, mycket billigare än vakuumbearbetningen som används för att skapa de oorganiska lysdioderna som används i stor utsträckning idag.

De MOF-stabiliserade lysdioderna kan tillverkas för att skapa klarröda, blått och grönt ljus, tillsammans med olika nyanser av varje.

"I det här arbetet, vi visade för första gången att perovskit-nanokristaller stabiliserade i en MOF kommer att skapa ljusa, stabila lysdioder i en rad färger, sade Wanyi Nie, forskare vid Center for Integrated Nanotechnologies vid Los Alamos National Laboratory. "Vi kan skapa olika färger, förbättra färgrenheten och öka fotoluminescenskvantutbytet, som är ett mått på ett materials förmåga att producera ljus."

The research team used the Advanced Photon Source (APS), a DOE Office of Science User Facility at Argonne, to perform time-resolved X-ray absorption spectroscopy, a technique that allowed them to spot the changes in the perovskite material over time. Researchers were able to track electrical charges as they moved through the material and learned important information about what happens when light is emitted.

"We could only do this with the powerful single X-ray pulses and unique timing structure of the APS, " said Xiaoyi Zhang, group leader with Argonne's X-ray Science Division. "We can follow where the charged particles were located inside the tiny perovskite crystals."

In durability tests, the material performed well under ultraviolet radiation, in heat and in an electrical field without degrading and losing its light-detecting and light-emitting efficiency, a key condition for practical applications such as TVs and radiation detectors.

This research appeared in Naturfotonik , in a paper entitled "Bright and stable light emitting diodes made with perovskite nanocrystals stabilized in metal-organic frameworks." Argonne researchers contributing to this work include Xuedan Ma, Gary Wiederrecht and Xiewen Wen from the CNM, and Xiaoyi Zhang and Cunming Liu from the APS. Researchers from other institutions include Hsinhan Tsai, Shreetu Shrestha, Rafael A. Vilá, Wenxiao Huang, Cheng-Hung Hou, Hsin-Hsiang Huang, Mingxing Li, Yi Cui, Mircea Cotlet and Wanyi Nie.