LED|研究人員利用MOF結構穩定鈣鈦礦納米晶體,進而改善LED的性能

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CINNO Research產業資訊,近日,美國能源部 (DoE) 阿貢國家實驗室、布魯克海文國家實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、SLAC 國家加速器實驗室和臺灣地區中央研究院的研究人員報告了一種LED用穩定鈣鈦礦納米晶體的制作方法。
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圖1. 利用嵌入金屬-有機框架中鈣鈦礦納米晶體(綠色)制成的發光二極管
 
據外媒報Perovskite-info報道,迄今為止,鈣鈦礦納米晶體的不穩定性一直是這種材料用于LED發光器件等應用的主要問題。不過最近,該研究小組成功將這種納米晶體穩定在一種稱為金屬-有機框架或簡稱MOF的多孔結構中。基于這種結構制作出的LED僅使用一些儲備極其豐富的材料和容易達成的室溫條件,在未來有希望用于低成本的電視和消費電子產品,以及一些性能非常好的伽馬射線成像設備。
 
“我們通過將鈣鈦礦材料穩定在MOF結構中,徹底解決了傳統設計中這一類材料的穩定性問題,”美國能源部科學用戶設施辦公室納米材料中心 (CNM) 的科學家Xuedan Ma說道,“我們的研究表明,這種方法可以顯著提高這種發光納米晶體的亮度和穩定性。”

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洛斯阿拉莫斯大學前 JR Oppenheimer 博士后研究員 Hsinhan Tsai 補充說:“這之前,業界曾展示過基于將鈣鈦礦納米晶體固定在MOF結構概念制作的粉末材料,不過這次,我們第一次成功將其集成為LED的發光層。”
 
之前所有制作納米晶體LED的嘗試都因納米晶體退化回不想看到的體相狀態而以失敗告終,也正是這一原因,納米晶體用于實用LED變得不可能。這種體相的大塊材料由數十億個原子組成,而處于納米相的鈣鈦礦等材料則僅由幾個到幾千個原子組成,因此其表現出非常大的不同。
 
在該研究小組提出的新方法中,他們在MOF矩陣結構內制造鈣鈦礦納米晶體以穩定這種發光材料的發光性能,實際看起來好像納米晶體被“鐵絲網”裹住。他們使用框架中的鉛節點作為金屬前體,使用鹵化物鹽作為有機材料。這里鹵化物鹽溶液含有甲基溴化銨,它與骨架中的鉛反應,并陣列內的鉛核周圍組裝成納米晶體。這種陣列結構可以讓納米晶體保持分離,因此它們不會相互作用和降解。這種方案使用溶液涂布的方法,成本上遠低于當前廣泛用于無機LED的真空處理方法。
 
“在這項工作中,我們首次證明了在MOF中制作穩定的鈣鈦礦納米晶體,進而形成穩定LED的方案,”洛斯阿拉莫斯國家實驗室集成納米技術中心的科學家Wanyi Nie說,“我們可以借助這種方案制作出不同顏色的LED,并提高顏色純度、增加光致發光量子產率,這些都是衡量鈣鈦礦材料發光性能的指標。”

該研究團隊使用位于阿貢的DoE科學用戶設施辦公室的高級光子源 (APS)進行時間分辨的X 射線吸收光譜測量,這種技術能夠讓他們了解鈣鈦礦材料隨時間的變化規律。據此,研究人員能夠在電荷穿過材料時跟蹤電荷,并了解發光時伴隨產生的重要信息。

“我們只能通過APS強大的單一X射線脈沖和獨特的計時結構來做到這一點,”阿貢X射線科學部的組長Xiaoyi Zhang說道,“我們可以借助這種技術追蹤帶電粒子位于微小鈣鈦礦晶體內的位置。”
 
在耐久性測試中,該材料在紫外線輻射、熱和電場下表現良好,發光效率沒有出現明顯降低,這是電視和輻射探測器等實際應用的關鍵要求。


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