Um avanço na estabilização de nanocristais apresenta um baixo custo, fonte de luz com eficiência energética para dispositivos eletrônicos de consumo, detectores e imagens médicas.

Diodos emissores de luz (LEDs) são um herói desconhecido da indústria de iluminação. Eles funcionam de forma eficiente, desprendem pouco calor e duram muito tempo. Agora os cientistas estão procurando novos materiais para fazer LEDs mais eficientes e de vida mais longa com aplicações em produtos eletrônicos de consumo, medicina e segurança.

Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), Laboratório Nacional de Brookhaven, O Laboratório Nacional de Los Alamos e o Laboratório Nacional de Aceleração SLAC relatam que prepararam nanocristais de perovskita estáveis ​​para esses LEDs. Também contribuiu para o esforço a Academia Sinica em Taiwan.

As perovskitas são uma classe de material que compartilha uma estrutura cristalina particular, dando-lhes propriedades de absorção e emissão de luz que são úteis em uma variedade de aplicações de eficiência energética, incluindo células solares e vários tipos de detectores.

Os nanocristais de perovskita têm sido os principais candidatos como um novo material de LED, mas se mostraram instáveis ​​em testes. A equipe de pesquisa estabilizou os nanocristais em uma estrutura porosa chamada estrutura metal-orgânica, ou MOF para breve. Com base em materiais abundantes em terra e fabricados em temperatura ambiente, esses LEDs podem um dia permitir TVs e eletrônicos de consumo de baixo custo, bem como melhores dispositivos de imagem de raios gama e até detectores de raios-X autoalimentados com aplicações na medicina, varredura de segurança e pesquisa científica.

"Atacamos o problema de estabilidade dos materiais de perovskita encapsulando-os em estruturas MOF, "disse Xuedan Ma, cientista do Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) de Argonne, um DOE Office of Science User Facility. "Nossos estudos mostraram que essa abordagem nos permite aumentar o brilho e a estabilidade dos nanocristais emissores de luz substancialmente."

Hsinhan Tsai, um ex-bolsista de pós-doutorado J. R. Oppenheimer em Los Alamos, adicionado, "O conceito intrigante de combinar nanocristal de perovskita em MOF foi demonstrado na forma de pó, mas esta é a primeira vez que o integramos com sucesso como a camada de emissão em um LED. "

Tentativas anteriores de criar LEDs de nanocristais foram frustradas pela degradação dos nanocristais de volta à fase de massa indesejada, perdendo suas vantagens de nanocristais e minando seu potencial como LEDs práticos. Os materiais a granel consistem em bilhões de átomos. Materiais como perovskitas na fase nano são feitos de agrupamentos de apenas alguns a alguns milhares de átomos, e, portanto, se comportar de maneira diferente.

Em sua abordagem inovadora, a equipe de pesquisa estabilizou os nanocristais, fabricando-os dentro da matriz de um MOF, como bolas de tênis presas em uma cerca de arame. Eles usaram nós de chumbo na estrutura como o precursor de metal e sais de haleto como o material orgânico. A solução de sais de haleto contém brometo de metilamônio, que reage com o chumbo na estrutura para montar nanocristais em torno do núcleo de chumbo preso na matriz. A matriz mantém os nanocristais separados, para que eles não interajam e se degradem. Este método é baseado em uma abordagem de revestimento de solução, muito menos caro do que o processamento a vácuo usado para criar os LEDs inorgânicos amplamente usados ​​hoje.

Os LEDs estabilizados por MOF podem ser fabricados para criar um vermelho brilhante, luz azul e verde, junto com vários tons de cada um.

"Nesse trabalho, demonstramos pela primeira vez que os nanocristais de perovskita estabilizados em um MOF criarão brilho, LEDs estáveis ​​em uma variedade de cores, "disse Wanyi Nie, cientista do Centro de Nanotecnologias Integradas do Laboratório Nacional de Los Alamos. "Podemos criar cores diferentes, melhorar a pureza da cor e aumentar o rendimento quântico da fotoluminescência, que é uma medida da capacidade de um material de produzir luz. "

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 Nature Photonics , 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.