发光二极管
由嵌入金属有机框架的钙钛矿纳米晶体(绿色)制成的发光二极管成本低,使用地球丰富的材料,并在典型的工作条件下保持稳定。(图片由洛斯阿拉莫斯国家实验室提供)

发光二极管(led)是照明行业的无名英雄。它们高效运转,散发少量热量,并持续很长时间。现在,科学家们正在研究一种新材料,以使led在消费电子、医药和安全领域的应用更有效、寿命更长。

来自美国能源部(DOE)阿贡国家实验室、布鲁克海文国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室和SLAC国家加速器实验室的研究人员报告称,他们已经为此类led制备了稳定的钙钛矿纳米晶体。台湾的中央研究院也做出了贡献。

钙钛矿是一类具有特殊晶体结构的材料,具有吸光和发光的特性,在一系列节能应用中非常有用,包括太阳能电池和各种探测器。钙钛矿纳米晶体是一种新型LED材料的主要候选材料,但在测试中证明其不稳定。研究小组将纳米晶体稳定在多孔结构中,这种多孔结构被称为金属有机框架,简称MOF。基于地球上丰富的材料,并在室温下制造,这些led有一天可能会使成本更低的电视和消费电子产品,以及更好的伽马射线成像设备,甚至是用于医学、安全扫描和科学研究的自供电x射线探测器。

“我们通过将钙钛矿材料封装在MOF结构中来解决其稳定性问题,”美国能源部科学用户设施办公室Argonne纳米材料中心(CNM)的科学家马学丹说。“我们的研究表明,这种方法使我们能够大幅提高发光纳米晶体的亮度和稳定性。”

前洛斯阿拉莫斯J. R.奥本海默博士后蔡新汉补充说,“在MOF中结合钙钛矿纳米晶体的有趣概念已经以粉末形式被证明,但这是我们第一次成功地将其集成为LED的发射层。”

之前试图制造纳米晶体led的尝试被纳米晶体降解回不需要的体积相所阻碍,失去了纳米晶体的优势,并削弱了它们作为实用led的潜力。大块物质由数十亿个原子组成。像钙钛矿这样的材料在纳米阶段是由几个到几千个原子组成的,因此表现不同。

在他们的新方法中,研究小组通过在MOF的矩阵中制造纳米晶体来稳定纳米晶体,就像网球被铁丝网夹住一样。他们使用框架中的铅节点作为金属前体,卤化物盐作为有机材料。卤化物盐的溶液中含有甲基溴化铵,它与框架中的铅反应,在基体中的铅核周围组装纳米晶体。基质使纳米晶体保持分离,所以它们不会相互作用和降解。这种方法是基于一种解决方案涂层的方法,比目前广泛使用的用于制造无机led的真空处理要便宜得多。mof稳定的led可以制造出明亮的红色、蓝色和绿色光,以及每种光的不同色调。

该研究小组使用先进光子源(APS)——美国能源部位于阿贡的科学用户设施办公室——进行时间分辨x射线吸收光谱分析,这项技术使他们能够发现钙钛矿材料随时间的变化。研究人员能够跟踪电荷在材料中移动的过程,并了解光发射时发生的重要信息。

在耐久性测试中,该材料在紫外线辐射、热和电场下表现良好,不会降解并失去其光探测和发光效率,这是电视和辐射探测器等实际应用的关键条件。