Diodos emissores de luz (LEDs) liberam energia na forma de luz quando elétrons e "buracos" (lacunas de elétrons) se recombinam em resposta a uma voltagem aplicada. Ao longo dos últimos anos, os cientistas voltaram sua atenção para os LEDs baseados em materiais híbridos orgânicos (contendo carbono) e inorgânicos com a mesma estrutura cristalina do mineral perovskita. Ao contrário dos LEDs orgânicos encontrados em alguns produtos eletrônicos de consumo, incluindo telas de televisão e telefones celulares, LEDs baseados em perovskita são feitos de materiais baratos abundantes em terra, como chumbo, halogênios como iodeto ou brometo, e íons orgânicos carregados positivamente. Além disso, perovskitas podem ser preparadas em solução em temperatura ambiente, ao contrário das altas temperaturas e condições de vácuo exigidas por materiais em LEDs inorgânicos.

Em particular, As perovskitas 2-D ensanduichadas entre grandes moléculas orgânicas - que atuam como espaçadores na rede cristalina da perovskita - têm atraído muito interesse não só por causa de sua capacidade de fabricação de baixo custo, mas também por suas propriedades optoeletrônicas aprimoradas. A alta pureza da cor, sintonia, e o brilho das perovskitas em camadas 2-D os tornam materiais promissores para iluminação e displays de última geração. Além disso, a eficiência quântica externa dos LEDs baseados em perovskita - a proporção entre o número de partículas de luz emitidas pelo dispositivo e o número de elétrons que passam pelo dispositivo - tem melhorado rapidamente.

Agora, uma equipe liderada pelo Laboratório Nacional de Los Alamos do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) em colaboração com Brookhaven e Argonne National Laboratories demonstrou que a escolha do espaçador orgânico impacta significativamente o desempenho do LED. Ao usar espaçadores orgânicos com átomos dispostos em um anel em vez de uma cadeia linear, os cientistas aumentaram a eficiência do dispositivo em duas ordens de magnitude (para cerca de 12 por cento) e o brilho em 70 vezes, com uma luminância próxima à dos típicos LEDs verdes orgânicos.

"Os grandes espaçadores orgânicos cortam a rede de cristal de perovskita 3-D em uma estrutura de camadas 2-D que consiste em folhas atômicas semelhantes ao grafeno, cada uma com menos de um bilionésimo de metro de espessura, "explicou Wanyi Nie, um cientista do Centro de Nanotecnologias Integradas (CINT) em Los Alamos.

Nesse caso, os cientistas compararam LEDs baseados em perovskitas de brometo de chumbo 2-D com espaçadores orgânicos alquil (linear) ou benzil (anel). Para garantir uma comparação justa entre os dois tipos de dispositivos, Nie e Hsinhan (Dave) Tsai - um distinto bolsista de pós-doutorado da J. Robert Oppenheimer em Los Alamos - sintetizou pela primeira vez materiais de alta qualidade e fabricou filmes finos altamente cristalinos de perovskitas sob as mesmas condições de processamento. Então, eles validaram a estrutura cristalina dos filmes e a orientação por meio de microscopia eletrônica e espalhamento de raios-X.

Próximo, a equipe estudou as propriedades de emissão de luz (fotoluminescência) dos filmes no Center for Functional Nanomaterials (CFN) de Brookhaven e no Center for Nanoscale Materials (CNM) de Argonne.

No CFN Advanced Optical Spectroscopy and Microscopy Facility, O cientista Mircea Cotlet e o associado de pesquisa Mingxing Li do Soft and Bio Nanomaterials Group mediram a decadência da fotoluminescência dos filmes após a excitação com um pulso de luz.

"Chamada de microscopia óptica resolvida no tempo, esta técnica nos permite medir a taxa na qual elétrons e buracos se recombinam, por sua vez, nos dando informações sobre a vida útil da transportadora de carga, "explicou Cotlet.

"Nossas medições mostraram que os portadores excitados pela luz na perovskita benzílica têm uma vida útil cinco vezes maior do que a da alquil perovskita, "disse Li.

A vida útil estendida do portador aumentou a eficiência da luminescência, resultando em emissão de luz mais brilhante da perovskita de benzila.

Na CNM, O cientista Xuedan Ma aplicou microscopia a laser de varredura de alta resolução para mapear as distribuições espaciais da fotoluminescência dos filmes. Este mapeamento revelou que os filmes finos de perovskita de benzila tinham um efeito mais forte, intensidade de emissão mais uniforme.

"Observamos diferenças bastante substanciais nas intensidades de emissão e distribuição dos diferentes tipos de filmes, que pode ser atribuído à dinâmica distinta do portador nos materiais, "disse a mãe.

Para vincular essas propriedades fotofísicas com a dinâmica da estrutura eletrônica, A equipe de Xiaoyi Zhang na Fonte Avançada de Fótons (APS) de Argonne realizou espectroscopia de absorção de raios-X resolvida no tempo.

"Este método se baseia na estrutura de tempo única e nos poderosos pulsos de raios-X únicos do APS para rastrear mudanças muito pequenas que acontecem muito rapidamente, "disse Zhang." A própria técnica de absorção de raios-X resolvida no tempo é altamente sensível às mudanças de carga, para que possa nos dizer com certeza onde está a carga e como ela flui dentro do material. "

Os espectros mostraram uma mudança na estrutura eletrônica nos locais de brometo da perovskita de benzila apenas.

"Os buracos nos locais de brometo não ficam presos imediatamente nas armadilhas de carga, ou defeitos eletrônicos no material, "explicou Tsai." Os buracos podem esperar que os elétrons apareçam e se recombinem para gerar luz em vez de desperdício de calor. Este fenômeno está relacionado à estrutura cristalina 2-D do material. O rígido, anel de benzil volumoso afeta o empacotamento cristalino da perovskita, alterando assim os processos de transporte e recombinação de carga. "

De volta a Los Alamos, Nie e Tsai montaram os filmes finos em LEDs e mediram a eficiência e o brilho do dispositivo. Em uma demonstração final, eles realizaram um teste de vida útil do LED à base de perovskita de benzila. Em operação contínua com alta corrente de injeção e em condições ambientais, o dispositivo durou 25 minutos.

"Comparado com LEDs orgânicos, que pode durar 100, 000 horas, 25 minutos podem parecer curtos, "disse Nie." Mas é uma melhoria se você considerar que as perovskitas estão apenas começando a ser pesquisadas e tendem a ser sensíveis a várias condições externas, como umidade e tensões aplicadas. Este avanço nos dá um passo à frente em direção a LEDs baseados em perovskita mais estáveis. "

Em estudos subsequentes, a equipe irá determinar se a incorporação das perovskitas 2-D dentro de uma matriz orgânica pode ajudar a prevenir a degradação. Eles também irão explorar outros espaçadores orgânicos que podem aumentar o efeito de recombinação de carga.

"Por causa de sua capacidade de fabricação de baixo custo e propriedades optoeletrônicas desejáveis, As perovskitas 2-D são interessantes não apenas para LEDs, mas também para outras aplicações, "disse Tsai." Esses materiais emissores de luz podem ser úteis para imagens médicas de raios-X, comunicações ópticas, e lasing, por exemplo."