Los investigadores informan sobre el descubrimiento fundamental de nanomateriales para LED

Un gran avance en la estabilización de nanocristales ofrece una fuente de luz de bajo costo y ahorro de energía para dispositivos electrónicos de consumo, detectores e imágenes médicas.

Los diodos emisores de luz (LED) son un campeón desconocido en la industria de la iluminación. Funciona de manera eficiente, libera poco calor y dura mucho tiempo. Los científicos ahora están mirando nuevo material Hacer que los LED sean más eficientes y duraderos con aplicaciones en electrónica de consumo, medicina y seguridad.

Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), el Laboratorio Nacional Brookhaven, el Laboratorio Nacional Los Alamos y el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC informan que han preparado un Nanocristales de perovskita para tales lámparas. La Academia Sinica de Taiwán también contribuyó a este esfuerzo.

Las perovskitas son una clase de materiales que comparten una estructura cristalina específica que les confiere propiedades de absorción y emisión de luz útiles en una variedad de aplicaciones energéticamente eficientes, incluidas las células solares y varios tipos de detectores.

Los nanocristales de perovskita han sido candidatos líderes como nuevos materiales LED, pero han demostrado ser inestables en las pruebas. El equipo de investigación instaló los nanocristales en una estructura porosa llamada marco organometálico, o MOF para abreviar. Basados ​​en los abundantes materiales de la Tierra y fabricados a temperatura ambiente, estos LED podrían algún día habilitar televisores y productos electrónicos de consumo de menor costo, así como mejores lectores de imágenes de rayos gamma e incluso detectores de rayos X autoamplificados con aplicaciones en medicina, escaneo de seguridad y investigación científica.

«Atacamos el tema de la estabilidad de los materiales de perovskita encapsulándolos en estructuras MOF», dijo Shuidan Ma, científico del Centro Argonne de Nanomateriales (CNM), una oficina del Departamento de Ciencias de la Energía. «Nuestros estudios han demostrado que este enfoque nos permite mejorar significativamente el brillo y la estabilidad de los nanocristales emisores de luz».

Hsinhan Tsai, ex becario postdoctoral en JR Oppenheimer en Los Alamos, agregó: “Se ha demostrado el interesante concepto de combinar nanocristales de perovskita en MOF en forma de polvo, pero esta es la primera vez que los incorporamos con éxito como una capa emisora ​​en un DIRIGIÓ.»

Los intentos anteriores de crear LED de nanocristales se han visto frustrados por la degradación de los nanocristales a la fase de volumen no deseada, perdiendo las ventajas de los nanocristales y socavando su potencial como LED prácticos. Los materiales a granel están formados por miles de millones de átomos. Los materiales como la perovskita en la nanofase consisten en grupos de unos pocos a varios miles de átomos y, por lo tanto, se comportan de manera diferente.

En su nuevo enfoque, el equipo de investigación estabilizó los nanocristales fabricándolos dentro de una serie de MOF, como pelotas de tenis atrapadas en una cerca de alambre. Utilizaron nudos de plomo en el marco como precursores metálicos y sales de haluros como materia orgánica. Una solución de sales de haluro contiene bromuro de metilamonio, que reacciona con el plomo en el marco para ensamblar nanocristales alrededor del núcleo de plomo atrapado en la matriz. La matriz mantiene separados los nanocristales, para que no reaccionen y se degraden. Este método se basa en un enfoque de recubrimiento en solución, que es mucho menos costoso que el tratamiento al vacío utilizado para crear LED inorgánicos de uso generalizado en la actualidad.

Los LED MOF se pueden fabricar para crear luz roja, azul y verde brillante, junto con diferentes tonos de cada uno.

«En este trabajo, hemos demostrado por primera vez que los nanocristales de perovskita de estructura metálica estable crearán LED brillantes y estables en una gama de colores», dijo Wanyi Nie, científico del Centro de Nanotecnología Integrada del Laboratorio Nacional de Los Alamos. . «Podemos crear diferentes colores, mejorar la pureza del color y aumentar el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia, que es una medida de la capacidad de un material para producir luz».

El equipo de investigación utilizó Advanced Photon Source (APS), una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía en Argonne, para realizar espectroscopía de absorción de rayos X, una técnica que les permitió determinar cambios en el material de perovskita a lo largo del tiempo. Los investigadores pudieron rastrear las cargas eléctricas a medida que viajaban a través de los materiales y aprendieron información importante sobre lo que sucede cuando se emite luz.

«Solo podemos hacer esto con potentes pulsos de rayos X únicos y la estructura de tiempo única de APS», dijo Xiaoyi Zhang, líder del grupo en el Departamento de Ciencia de Rayos X de Argonne. «Podemos seguir dónde están las partículas cargadas dentro de los diminutos cristales de perovskita».

En las pruebas de durabilidad, el material se desempeñó bien bajo luz ultravioleta, en calor y en un campo eléctrico sin deterioro y pérdida de detección de luz y eficiencia de emisión de luz, un requisito previo para aplicaciones prácticas como televisores y detectores de radiación.

Esta búsqueda apareció en Fotónica de la naturaleza, en un artículo titulado «Diodos emisores de luz brillantes y estables hechos de nanocristales de perovskita estables en estructuras metalorgánicas». Los investigadores de Argonne contribuyen a este trabajo de Xuedan Ma y Gary Wiederrecht y Xiewen Wen de CNM y Xiaoyi Zhang y Cunming Liu de APS. Los investigadores de otras instituciones incluyen a Hsinhan Tsai, Shretu Shrestha, Raphael A. Villa, Wenxiao Huang, Cheng Honghu, Hsin Hsiang Huang, Mingxing Li, Wei Kui, Mircea Cutlett y Wani Ni.