Home Наука и техника Синий светодиод демонстрирует ограничения и перспективы перовскитных полупроводников

Синий светодиод демонстрирует ограничения и перспективы перовскитных полупроводников

Синий светодиод демонстрирует ограничения и перспективы перовскитных полупроводников

Химики из Калифорнийского университета в Беркли создали кристалл галогенидного перовскита, который излучает синий свет, чего трудно достичь с помощью этого модного нового материала. Но исследователи обнаружили, что эти материалы по своей природе нестабильны, что требует тщательного контроля температуры и химической среды для поддержания их точного цвета. Эта нестабильность может иметь другие применения, однако. Предоставлено Peidong Yang, UC Berkeley.

Ученые Калифорнийского университета в Беркли создали синий светодиод (LED) из модного нового полупроводникового материала, галогенида перовскита, преодолевая серьезный барьер на пути использования этих дешевых, простых в изготовлении материалов в электронных устройствах.

В процессе, однако, исследователи обнаружили фундаментальное свойство галоидное соединение перовскиты, которые могут оказаться препятствием для их широкого использования в качестве солнечных элементов и транзисторов.

В качестве альтернативы, это уникальное свойство может открыть для перовскитов совершенно новый мир, намного превосходящий мир современных стандартных полупроводников.

В статье, опубликованной 24 января в журнале Научные достиженияХимик Калифорнийского университета в Беркли Пейдонг Ян и его коллеги показывают, что Кристальная структура галоидных перовскитов изменяется с температурой, влажностью и химической средой, нарушая их оптические и электронные свойства. Без строгого контроля физической и химической среды, перовскита устройства по своей природе нестабильны. Это не главная проблема для традиционных полупроводников.

«Некоторые люди могут сказать, что это ограничение. Для меня это отличная возможность», – сказал Ян, выдающийся профессор кафедры энергетики С.К. и Анжелы Чан в Химическом колледже и директор Института энергетических нанотехнологий Kavli. «Это новая физика: новый класс полупроводников, который можно легко перенастроить в зависимости от того, в какую среду вы их поместите. Это может быть действительно хороший датчик, может быть, действительно хороший фотопроводник, потому что они будут очень чувствительны в своем ответ на свет и химикаты. “

Современные полупроводники, изготовленные из нитрида кремния или галлия, очень стабильны в диапазоне температур, прежде всего потому, что их кристаллические структуры удерживаются вместе сильными ковалентными связями. Кристаллы галоидного перовскита удерживаются вместе более слабыми ионными связями, как в кристалле соли. Это означает, что их легче изготовить, их можно испарить из простого решения, но они также подвержены воздействию влаги, тепла и других условий окружающей среды.

«Эта статья не только о том, чтобы показать, что мы сделали этот синий светодиод», – сказал Ян, старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) и профессор материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Беркли. «Мы также говорим людям, что нам действительно нужно обращать внимание на структурную эволюцию перовскитов во время работы устройства, каждый раз, когда вы управляете этими перовскитами электрическим током, будь то светодиод, солнечный элемент или транзистор. внутреннее свойство этого нового класса полупроводник и влияет на любое потенциальное оптоэлектронное устройство в будущем, используя этот класс материала “.

Синий светодиод демонстрирует ограничения и перспективы перовскитных полупроводников

Кристаллическая структура галогенидного перовскита с синей эмиссией изменяется при нагревании от комнатной температуры, 300 Кельвинов, до 450 Кельвинов, типичной рабочей температуры электронного устройства. Структурные изменения изменяют длину волны света, изменяя ее с синей на сине-зеленую, что является недопустимой нестабильностью в электронике. Предоставлено Peidong Yang, UC Berkeley.

Синий диод блюз

По словам Янга, создание полупроводниковых диодов, излучающих синий свет, всегда было проблемой. Нобелевская премия по физике 2014 года была присуждена за прорыв в создании эффективных синих светодиодов из нитрида галлия. Диоды, которые излучают свет при прохождении через них электрического тока, являются оптоэлектронными компонентами в волоконно-оптических цепях, а также светодиодами общего назначения.

С тех пор как галогенидные перовскиты впервые привлекли широкое внимание в 2009 году, когда японские ученые обнаружили, что они делают высокоэффективные солнечные элементы, эти легко изготавливаемые недорогие кристаллы взволновали исследователей. До сих пор были продемонстрированы красные и зеленые диоды, но не синие. Галогенидные перовскитные синие диоды были нестабильны, то есть их цвет смещается в сторону более длинных, более красных длин волн при использовании.

Как выяснили Ян и его коллеги, это связано с уникальной природой кристаллической структуры перовскитов. Галоидные перовскиты состоят из металла, такого как свинец или олово, равного числа более крупных атомов, такого как цезий, и в три раза больше числа атомов галогенида, такого как хлор, бром или йод.

Когда эти элементы смешиваются в растворе и затем высушиваются, атомы собираются в кристалл, так же как соль кристаллизуется из морской воды. Используя новую технику и ингредиенты цезий, свинец и бром, химики из Калифорнийского университета в Беркли и Беркли создали кристаллы перовскита, которые излучают синий свет, а затем бомбардировали их рентгеновскими лучами в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC), чтобы определить их кристаллическую структуру в различные температуры. Они обнаружили, что при нагревании от комнатной температуры (около 300 Кельвинов) до около 450 Кельвинов, обычной рабочей температуры для полупроводников, сжатая структура кристалла расширяется и в итоге переходит в новую ромбическую или тетрагональную конфигурацию.

Поскольку свет, излучаемый этими кристаллами, зависит от расположения и расстояний между атомами, цвет также меняется с температурой. Кристалл перовскита, который излучал синий свет (Длина волны 450 нанометров) при 300 Кельвинах внезапно испустил сине-зеленый свет при 450 Кельвинах.

Ян приписывает гибкую кристаллическую структуру перовскитов более слабым ионным связям, характерным для атомов галогенидов. Природный минерал перовскит включает в себя кислород вместо галогенидов, производя очень стабильный минерал. Полупроводники на основе кремния и нитрида галлия одинаково стабильны, поскольку атомы связаны сильными ковалентными связями.

Синий светодиод демонстрирует ограничения и перспективы перовскитных полупроводников

Синий галоидный кристалл перовскита (структура n3). Предоставлено Peidong Yang, UC Berkeley.

Изготовление голубоватых перовскитов

По словам Янга, синие излучающие перовскитные диоды было трудно создать, потому что стандартная технология выращивания кристаллов в виде тонкой пленки стимулирует образование смешанных кристаллических структур, каждая из которых излучает на разной длине волны. Электроны направляются в эти кристаллы с наименьшей шириной запрещенной зоны, то есть с наименьшим диапазоном недопустимых энергий, перед излучением света, который имеет тенденцию быть красным.

Чтобы избежать этого, постдокторанты и соавторы Яна – Хонг Чен, Цзя Лин и Джу Хун Кан – выращивали однослойные кристаллы перовскита и, применяя низкотехнологичный метод создания графена, использовали ленту для отслоения одного слоя однородный перовскит. При включении в цепь и замыкании электричества перовскит светился синим цветом. Фактическая длина волны синего цвета варьировалась в зависимости от количества слоев октаэдрических кристаллов перовскита, которые отделены друг от друга слоем органических молекул, что позволяет легко отделить слои перовскита, а также защищает поверхность.

Тем не менее эксперименты SLAC показали, что перовскиты, излучающие синий цвет, меняют свои эмиссионные цвета с температурой. Это свойство может иметь интересные приложения, сказал Ян. Два года назад он продемонстрировал окно из галогенидного перовскита, которое становится темным на солнце и прозрачным при заходе солнца, а также вырабатывает фотоэлектрическую энергию.

«Мы должны по-разному думать об использовании этого класса полупроводников», – сказал он. «Мы не должны помещать галогенидные перовскиты в ту же среду применения, что и традиционный ковалентный полупроводник, такой как кремний. Мы должны понимать, что этот класс материала обладает внутренними структурными свойствами, которые делают его готовым к реконфигурации. Мы должны использовать это».


Способ повышения структурной устойчивости деформированных галогенидных перовскитов


Дополнительная информация:
«Структурно-спектральная динамика монокристаллических фаз Руддлсдена-Поппера галогенидных перовскитовых синих светодиодов» Научные достижения (2020). advances.sciencemag.org/content/6/4/eaay4045

цитирование:
                                                 Синий светодиод демонстрирует ограничения и перспективы перовскитных полупроводников (2020, 24 января)
                                                 восстановлено 24 января 2020 г.
                                                 из https://phys.org/news/2020-01-blue-emitting-diode-limitations-perovskite-semiconductors.html

Этот документ защищен авторским правом. Кроме честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет
                                            Часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержание предоставлено исключительно в информационных целях.

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Must Read

Говорят, что твердотельная батарея MIT в четыре раза больше, чем у электромобилей.

Технология батарей является предметом лихорадочных исследований во всем мире. Лучшее хранение зависит не только от наличия смартфонов и ассортимента электромобилей - переход на возобновляемую...

Загляните в исторический стадион Кейуорт в Хамтрамке до начала реконструкции футбольного клуба Детройт Сити

HAMTRAMCK, Мичиган - Четыре года назад стадион Хамтрамка в Кейворте был оболочкой того, что он есть сегодня.В 2016 году Детройтский городской футбольный клуб начал...

Муниципалитет в Париже: едва названный, Бузин похоронил две противоречивые меры Гриво

политикаПРОЙДИТЕ - Заменив Бенджамина Гриво в короткие сроки, Аньес Бузин не намерена приступать к программе кандидата, ушедшего в отставку с поста мэра Парижа. Новый...

Китай заявляет, что 80 процентов случаев коронавируса были легкими, так как число погибших снова растет

Китайские чиновники здравоохранения опубликовал доклад, в котором говорится, что среди почти 45 000 случаев новый коронавирус80 процентов были легкими, а число новых случаев с...

На карантине 65 миллионов … Китай обнаружил сюрприз о количестве жертв вируса короны

Euronews, транслируют видео, подтверждающее существование «Небольшое» увеличение скорости Заражение вирусом корона Новый с большим количеством погибших. Власти Китая заявили, что зафиксировали увеличение Небольшой уровень инфекции корона Новый,...