Light Emitting Diodes Made From Perovskite Nanocrystals 777x354 1 2
Thông tin công nghệ

Khám phá tổng thể về vật liệu nano cho đèn LED: Nguồn sáng mới tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp

Điốt phát sáng được làm từ các tinh thể nano perovskite (màu xanh lá cây) nhúng trong khung kim loại-hữu cơ có thể được tạo ra với chi phí thấp, sử dụng các vật liệu có nhiều trong đất và vẫn ổn định trong các điều kiện làm việc điển hình. Tín dụng: Hình ảnh của Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos

Đột phá trong việc ổn định các tinh thể nano giới thiệu một nguồn ánh sáng tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp cho các thiết bị điện tử dân dụng, máy dò và hình ảnh y tế.

Điốt phát quang (đèn LED) là một anh hùng thầm lặng của ngành công nghiệp chiếu sáng. Máy chạy hiệu quả, tỏa nhiệt ít và bền lâu. Hiện các nhà khoa học đang nghiên cứu các vật liệu mới để tạo ra đèn LED hiệu quả hơn và tuổi thọ cao hơn với các ứng dụng trong điện tử tiêu dùng, y học và an ninh.

Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven, Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos và Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC báo cáo rằng họ đã chuẩn bị các tinh thể nano perovskite ổn định cho các đèn LED như vậy. Cũng đóng góp vào nỗ lực này là Academia Sinica ở Đài Loan.

“Các nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng cách tiếp cận này cho phép chúng tôi tăng cường độ sáng và độ ổn định của các tinh thể nano phát sáng về cơ bản”. – Xuedan Ma, nhà khoa học tại Trung tâm Vật liệu nano của Argonne

Perovskites là một loại vật liệu có chung một cấu trúc tinh thể đặc biệt, mang lại cho chúng các đặc tính hấp thụ ánh sáng và phát sáng, rất hữu ích trong một loạt các ứng dụng tiết kiệm năng lượng, bao gồm pin mặt trời và các loại máy dò khác nhau.

Các tinh thể nano perovskite từng là ứng cử viên hàng đầu như một vật liệu LED mới nhưng đã tỏ ra không ổn định trong quá trình thử nghiệm. Nhóm nghiên cứu đã ổn định các tinh thể nano trong một cấu trúc xốp được gọi là khung hữu cơ kim loại, gọi tắt là MOF. Dựa trên các vật liệu dồi dào trên trái đất và được chế tạo ở nhiệt độ phòng, những đèn LED này một ngày nào đó có thể kích hoạt TV giá rẻ hơn và thiết bị điện tử tiêu dùng, cũng như các thiết bị hình ảnh tia gamma tốt hơn và thậm chí cả máy dò tia X tự cung cấp năng lượng với các ứng dụng trong y học, quét an ninh và nghiên cứu khoa học.

Xuedan Ma, nhà khoa học tại Trung tâm Vật liệu nano (CNM) của Argonne, thuộc Văn phòng Khoa học Người dùng của DOE, cho biết: “Chúng tôi đã tấn công vấn đề ổn định của vật liệu perovskite bằng cách đóng gói chúng trong cấu trúc MOF. ? “Các nghiên cứu của chúng tôi đã chỉ ra rằng cách tiếp cận này cho phép chúng tôi tăng cường độ sáng và độ ổn định của các tinh thể nano phát sáng về cơ bản.”

Hsinhan Tsai, cựu thành viên postdoc của JR Oppenheimer tại Los Alamos, nói thêm rằng, “Ý tưởng hấp dẫn của việc kết hợp tinh thể nano perovskite trong MOF đã được chứng minh ở dạng bột, nhưng đây là lần đầu tiên chúng tôi tích hợp thành công nó làm lớp phát xạ trong một DẪN ĐẾN.”

Những nỗ lực trước đây để tạo ra các đèn LED tinh thể nano đã bị cản trở bởi các tinh thể nano phân hủy trở lại giai đoạn khối lượng lớn không mong muốn, làm mất các lợi thế tinh thể nano của chúng và làm suy giảm tiềm năng của chúng như các đèn LED thực tế. Vật liệu khối lượng lớn bao gồm hàng tỷ nguyên tử. Các vật liệu như perovskite trong pha nano được tạo thành từ các nhóm chỉ từ vài đến vài nghìn nguyên tử, và do đó hoạt động khác nhau.

Trong cách tiếp cận mới lạ của mình, nhóm nghiên cứu đã ổn định các tinh thể nano bằng cách chế tạo chúng trong ma trận của MOF, giống như những quả bóng tennis mắc vào hàng rào liên kết chuỗi. Họ sử dụng các nút chì trong khung làm tiền chất kim loại và muối halogenua làm vật liệu hữu cơ. Dung dịch muối halogenua chứa metylamoni bromua, phản ứng với chì trong khuôn khổ để lắp ráp các tinh thể nano xung quanh lõi chì bị mắc kẹt trong chất nền. Ma trận giữ cho các tinh thể nano được phân tách, vì vậy chúng không tương tác và phân hủy. Phương pháp này dựa trên phương pháp phủ dung dịch, ít tốn kém hơn nhiều so với xử lý chân không được sử dụng để tạo ra các đèn LED vô cơ đang được sử dụng rộng rãi ngày nay.

Các đèn LED ổn định bằng MOF có thể được chế tạo để tạo ra ánh sáng đỏ, xanh lam và xanh lục, cùng với các sắc thái khác nhau của từng loại.

Wanyi Nie, nhà khoa học tại Trung tâm Công nghệ nano tích hợp tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos cho biết: “Trong công trình này, lần đầu tiên chúng tôi chứng minh rằng các tinh thể nano perovskite được ổn định trong MOF sẽ tạo ra các đèn LED sáng, ổn định trong một loạt các màu sắc. ? “Chúng tôi có thể tạo ra các màu sắc khác nhau, cải thiện độ tinh khiết của màu sắc và tăng năng suất lượng tử phát quang, là thước đo khả năng tạo ra ánh sáng của vật liệu.”

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng Nguồn Photon Nâng cao (APS), một Cơ sở Người dùng Khoa học của DOE tại Argonne, để thực hiện quang phổ hấp thụ tia X phân giải theo thời gian, một kỹ thuật cho phép họ phát hiện những thay đổi trong vật liệu perovskite theo thời gian. Các nhà nghiên cứu có thể theo dõi các điện tích khi chúng di chuyển qua vật liệu và biết được thông tin quan trọng về những gì sẽ xảy ra khi ánh sáng được phát ra.

Xiaoyi Zhang, trưởng nhóm của Bộ phận Khoa học X-quang của Argonne cho biết: “Chúng tôi chỉ có thể làm được điều này với các xung tia X đơn mạnh mẽ và cấu trúc thời gian độc đáo của APS. ? “Chúng ta có thể theo dõi vị trí của các hạt tích điện bên trong các tinh thể perovskite nhỏ.”

Trong các bài kiểm tra độ bền, vật liệu này hoạt động tốt dưới bức xạ cực tím, nhiệt và trong điện trường mà không làm suy giảm và mất hiệu quả phát hiện ánh sáng và phát sáng, một điều kiện quan trọng cho các ứng dụng thực tế như TV và máy dò bức xạ.

Tham khảo: “Điốt phát quang sáng và ổn định được làm bằng tinh thể nano perovskite ổn định trong khuôn khổ hữu cơ kim loại” của Hsinhan Tsai, Shreetu Shrestha, Rafael A. Vilá, Wenxiao Huang, Cunming Liu, Cheng-Hung Hou, Hsin-Hsiang Huang, Xiewen Wen , Mingxing Li, Gary Wiederrecht, Yi Cui, Mircea Cotlet, Xiaoyi Zhang, Xuedan Ma và Wanyi Nie, ngày 6 tháng 9 năm 2021, Nature Photonics .
DOI: 10.1038 / s41566-021-00857-0

Các nhà nghiên cứu Argonne đóng góp cho công trình này bao gồm Xuedan Ma, Gary Wiederrecht và Xiewen Wen từ CNM, và Xiaoyi Zhang và Cunming Liu từ APS. Các nhà nghiên cứu từ các tổ chức khác bao gồm Hsinhan Tsai, Shreetu Shrestha, Rafael A. Vilá, Wenxiao Huang, Cheng-Hung Hou, Hsin-Hsiang Huang, Mingxing Li, Yi Cui, Mircea Cotlet và Wanyi Nie.

Văn phòng Khoa học Năng lượng Cơ bản của DOE đã tài trợ phần Argonne của công việc này. Một phần của nghiên cứu này đã sử dụng sector 8-ID-E và 11-ID-D của Nguồn Photon nâng cao.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.