Инженеры используют молекулярную добавку, чтобы сделать новый светодиод более эффективным, но он менее стабилен

Восемь зеленого перовскита светодиодных субстратов в лабораторной лаборатории Congreve, когда исследователи освещают на них ультрафиолетовый свет.Кредит: Себастьян Фернандес

Скорее всего, экран, который вы читаете из светящихся благодаря легким диодам, известным как светодиоды.Эта широко распространенная технология обеспечивает энергоэффективное освещение в помещении и все больше освещает наши компьютерные мониторы, телевизоры и экраны смартфонов.К сожалению, это также требует относительно трудоемкого и дорогого производственного процесса.

В надежде уступить этот недостаток, исследователи из Стэнфорда проверили метод, который повысил яркости и эффективность перовскитных светодиодов или Pells, более дешевой и легкой альтернативой.Однако их усовершенствования заставили свет в течение нескольких минут, демонстрируя тщательные компромиссы, которые необходимо понять, чтобы продвигать этот класс материалов.

«Мы предприняли несколько больших шагов, чтобы понять, почему это унизительно. Вопрос в том, можем ли мы найти способ смягчить это, сохраняя при этом эффективность?»говорит Дэн Конгрив, доцент кафедры электротехники и старший автор в газете, опубликован 1 августа на устройстве.«Если мы сможем это сделать, я думаю, что мы можем начать работать над жизнеспособным коммерческим решением».

Проще говоря, светодиоды превращают электрическую энергию в свет путем прохождения электрического тока через полупроводник - слои кристаллического материала, который излучает свет с приложенным электрическим полем.Но создание этих полупроводников становится сложным и дорогостоящим по сравнению с меньшим энергоэффективным светом, такими как лаковки и флуоресценты.

«Многие из этих материалов выращиваются на дорогих поверхностях, таких как четырехдюймовый сапфировый субстрат»,-говорит Себастьян Фернандес, доктор философии.Студент в лаборатории Конгрива и ведущий автор газеты.«Просто для покупки этого субстрата стоит несколько сотен долларов».

Peleds использует полупроводник, известный как металлические перовскиты, состоящие из смеси различных элементов.Инженеры могут выращивать кристаллы перовскита на стеклянных подложках, экономя значительную сумму по сравнению с нормальными светодиодами.Они также могут растворить перовскиты в растворе и «нарисовать» на стекло, чтобы создать легкий слой, более простой производственный процесс, чем требуют обычных светодиодов.

Эти преимущества могут сделать энергоэффективное освещение в помещении возможным для большего количества встроенной среды, снижая спрос на энергию.Peleds также может обострить чистоту цвета смартфона и телевизионных дисплеев.«Зеленый более зеленый, синий - более синий», - говорит Конгрив.«Вы можете буквально увидеть больше цветов с устройства».

Большинство печенов сегодня, однако, Петерс через несколько часов.И они часто не соответствуют энергоэффективности стандартных светодиодов из -за случайных пробелов в атомной структуре перовскита, известной как дефекты.«Здесь должен быть атом, но нет», - объясняет Конгрив.«Энергия идет там, но вы не получаете свет, поэтому она наносит ущерб общей эффективности устройства».

Чтобы смягчить эти проблемы, Фернандес, построенный на технике, дебютированной Конгрив и Махеш Гангишетти, доцентом химии в Университете штата Миссисипи и соавтором в газете.Многие из этих энергетических пробелов в перовскитах происходят там, где должны быть атомы свинца.Заменив 30% лидерства перовскита атомами марганца, что помогает заполнить эти пробелы, команда более чем удвоила яркость своих печенов, почти утроилась и увеличила срок службы света с менее чем на одну минуту до 37 минут.

Техника также имеет потенциал для перемещения иглы на риски для здоровья.«Свинец чрезвычайно важен для излучения света в этом материале, но в то же время, как известно, свинец является токсичным», - говорит Фернандес.Этот тип свинца также растворимся в воде-это значит протекать, скажем, по треснувшему экрану смартфона.«Люди скептически относятся к коммерческим технологиям, которые являются токсичными, так что это также подтолкнуло меня к рассмотрению других материалов».

Но Фернандес пошел на шаг вперед, смешивая оксид фосфина, называемый TFPPO в перовский.«Я добавил это и увидел, что эффективность просто стреляет», - говорит он.Аддитивность сделала свет в пять раз более энергоэффективными, чем те, у кого только повышение марганца, и выявила одно из самых ярких свечений любого зарегистрированного, но зарегистрированного.

Но прибыль достиг недостатки: свет исчез, чтобы получить половину их пиковой яркости всего за два с половиной минуты.(С другой стороны, перовскиты, которые не обращались с TFPPO, - это версия, которая поддерживала их яркость в течение 37 минут.)

Фернандес считает, что преобразование электрической энергии в свет с течением времени у пелевых с помощью TFPPO становится менее эффективным, чем у тех, у кого нет, в основном из -за повышенных препятствий, связанных с транспортом заряда в PELED.Команда также предполагает, что, хотя TFPPO изначально заполняет некоторые пробелы в атомной структуре Перовскита, эти пробелы быстро вновь открываются, вызывая энергоэффективность снижаться вместе с долговечностью.

Двигаясь вперед, Фернандес надеется экспериментировать с различными добавками оксида фосфина, чтобы увидеть, дают ли они разные эффекты и почему.

«Очевидно, что эта добавка невероятна с точки зрения эффективности», - говорит Фернандес.«Однако его влияние на стабильность необходимо подавить, чтобы иметь какую -либо надежду коммерциализировать этот материал».

Лаборатория Congreve работает над другими ограничениями Peleds, таких как их трудности с производством фиолетового и ультрафиолетового света.В другом недавнем документе в журнале «Маттер» во главе с доктором философии.Студент Манчен Ху (который также является соавтором бумаги устройства), команда обнаружила, что, добавив воду в решение, в котором образуются кристаллы перовскита, они могут производить печи, которые излучали яркий фиолетовый свет в пять раз более эффективно.

При дальнейших улучшениях ультрафиолетовые печенов могут стерилизовать медицинское оборудование, очищать воду и помочь выращивать внутренние культуры - все это более доступно, чем позволяют современные светодиоды.

Больше информации: Sebastian Fernández et al. Компромисс между эффективностью и стабильностью в MN2+-Doped Perosskite, излучающие светообороты, устройство (2023).Doi: 10.1016/j.device.2023.100017

Manchen Hu и др., Водные добавки повышают эффективность фиолетовых перовскитных светодиодов, материи (2023).Doi: 10.1016/j.matt.2023.05.018