Une illustration montrant le principe de fonctionnement d'une diode électroluminescente faite de matériaux semi-conducteurs disposés dans une structure cristalline « pérovskite ». Particules de lumière, ou photons, sont émis lorsque des électrons (e-) et des trous (h+) dans les matériaux se recombinent sous une tension appliquée. Une équipe dirigée par le laboratoire national de Los Alamos en collaboration avec les laboratoires nationaux de Brookhaven et d'Argonne a démontré que l'efficacité de l'émission de photons par recombinaison et la luminosité de cette émission peuvent être améliorées en ajustant les gros composés contenant du carbone qui recouvrent le cristal de pérovskite. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Les diodes électroluminescentes (DEL) libèrent de l'énergie sous forme de lumière lorsque les électrons et les « trous » (lacunes électroniques) se recombinent en réponse à une tension appliquée. Au cours des dernières années, les scientifiques ont tourné leur attention vers les LED basées sur des matériaux hybrides organiques (contenant du carbone) et inorganiques avec la même structure cristalline que la pérovskite minérale. Contrairement aux LED organiques présentes dans certains appareils électroniques grand public, notamment les écrans de télévision et de téléphone portable, Les LED à base de pérovskite sont fabriquées à partir de matériaux peu coûteux et riches en terre tels que le plomb, les halogènes comme l'iodure ou le bromure, et des ions organiques chargés positivement. De plus, les pérovskites peuvent être préparées en solution à température ambiante, contrairement aux températures élevées et aux conditions de vide requises par les matériaux des LED inorganiques.
En particulier, Les pérovskites 2D prises en sandwich entre de grosses molécules organiques - qui agissent comme des espaceurs dans le réseau cristallin de pérovskite - ont suscité beaucoup d'intérêt non seulement en raison de leur faible coût de fabrication, mais également de leurs propriétés optoélectroniques améliorées. La grande pureté des couleurs, accordabilité, et la luminosité des pérovskites en couches 2D en font des matériaux prometteurs pour l'éclairage et les écrans de nouvelle génération. En outre, l'efficacité quantique externe des LED à base de pérovskite (le rapport entre le nombre de particules lumineuses émises par l'appareil et le nombre d'électrons traversant l'appareil) s'est rapidement améliorée.
Maintenant, une équipe dirigée par le laboratoire national de Los Alamos du département américain de l'Énergie (DOE) en collaboration avec Brookhaven et Argonne National Laboratories a démontré que le choix d'un espaceur organique a un impact significatif sur les performances des LED. En utilisant des espaceurs organiques avec des atomes disposés en anneau au lieu d'une chaîne linéaire, les scientifiques ont augmenté l'efficacité de l'appareil de deux ordres de grandeur (à environ 12%) et la luminosité de 70 fois, avec une luminance proche de celle des LED organiques vertes typiques.
"Les grands espaceurs organiques découpent le réseau cristallin de pérovskite 3-D en une structure en couches 2-D composée de feuilles atomiques de type graphène chacune de moins d'un milliardième de mètre d'épaisseur, " a expliqué Wanyi Nie, un scientifique au Center for Integrated Nanotechnologies (CINT) à Los Alamos.
Dans ce cas, les scientifiques ont comparé des LED à base de pérovskites au bromure de plomb 2-D avec des espaceurs organiques alkyle (linéaire) ou benzylique (anneau). Afin d'assurer une comparaison équitable entre les deux types d'appareils, Nie et Hsinhan (Dave) Tsai - un boursier postdoctoral distingué J. Robert Oppenheimer à Los Alamos - ont d'abord synthétisé des matériaux de haute qualité et fabriqué des films minces hautement cristallins des pérovskites dans les mêmes conditions de traitement. Puis, ils ont validé la structure cristalline et l'orientation des films par microscopie électronique et diffusion des rayons X.
Prochain, l'équipe a étudié les propriétés d'émission de lumière (photoluminescence) des films au Centre des nanomatériaux fonctionnels (CFN) de Brookhaven et au Centre des matériaux à l'échelle nanométrique (CNM) d'Argonne.
À l'installation de spectroscopie optique et de microscopie avancée du CFN, Le scientifique Mircea Cotlet et l'associé de recherche Mingxing Li du Soft and Bio Nanomaterials Group ont mesuré la décroissance de la photoluminescence des films après excitation avec une impulsion lumineuse.
Une photographie des films minces sous exposition à la lumière ultraviolette montre que la pérovskite avec l'espaceur organique en forme d'anneau (benzyl pérovskite, à droite) émet une lumière beaucoup plus brillante que la pérovskite avec l'espaceur organique linéaire (alkyl pérovskite, la gauche). Les objets circulaires bleus dans le coin droit sont des marques indiquant les espaceurs respectifs sur le substrat de verre. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
"Appelée microscopie optique résolue en temps, cette technique permet de mesurer la vitesse à laquelle les électrons et les trous se recombinent, à son tour nous donnant des informations sur la durée de vie des porteurs de charge, " expliqua Cotlet.
"Nos mesures ont montré que les porteurs excités par la lumière dans la benzyl pérovskite ont une durée de vie cinq fois plus longue que celle de l'alkyl pérovskite, " dit Li.
Les durées de vie prolongées des supports ont augmenté l'efficacité de la luminescence, résultant en une émission de lumière plus brillante de la pérovskite benzylique.
Au CNM, Le scientifique Xuedan Ma a appliqué la microscopie laser à balayage haute résolution pour cartographier les distributions spatiales de la photoluminescence des films. Cette cartographie a révélé que les films minces de benzyl pérovskite avaient une plus forte, intensité d'émission plus uniforme.
"Nous avons observé des différences assez importantes dans les intensités d'émission et les distributions des différents types de films, ce qui pourrait être attribué à la dynamique distincte des porteurs dans les matériaux, " dit Maman.
Pour lier ces propriétés photophysiques à la dynamique des structures électroniques, L'équipe de Xiaoyi Zhang de la source avancée de photons (APS) d'Argonne a effectué une spectroscopie d'absorption des rayons X à résolution temporelle.
"Cette méthode repose sur la structure de synchronisation unique et les puissantes impulsions de rayons X uniques de l'APS pour suivre de très petits changements qui se produisent très rapidement, " a déclaré Zhang. " La technique d'absorption des rayons X à résolution temporelle elle-même est très sensible aux changements de charge, il peut donc nous dire exactement où se trouve la charge et comment elle s'écoule à l'intérieur du matériau."
Un schéma montrant l'architecture du dispositif LED en couches. Les charges (électrons et trous) sont injectées à travers les électrodes supérieure (Al) et inférieure (ITO). Entre les électrodes se trouvent une couche de transport d'électrons (TPBi) et une couche de transport de trous (TPD). Comme indiqué dans la légende, la pérovskite en couches 2-D (RPLP) au milieu du dispositif est constituée de bromure de plomb (PbBr6) séparé par une molécule organique (MA), qui stabilise le cristal à l'intérieur. Les grands espaceurs organiques (bleus) "coiffant" la pérovskite extérieurement sont soit linéaires (BA) soit en forme d'anneau (PEA). Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Les spectres ont montré un changement dans la structure électronique sur les sites de bromure de la benzyl pérovskite uniquement.
"Les trous sur les sites de bromure ne se coincent pas immédiatement dans les pièges de charge, ou des défauts électroniques dans le matériel, " a expliqué Tsai. " Les trous peuvent attendre que les électrons apparaissent et se recombinent pour générer de la lumière au lieu de gaspiller de la chaleur. Ce phénomène est lié à la structure cristalline 2-D du matériau. Le rigide, l'anneau benzylique volumineux affecte le tassement cristallin de la pérovskite, modifiant ainsi les processus de transport de charge et de recombinaison."
De retour à Los Alamos, Nie et Tsai ont assemblé les films minces en LED et mesuré l'efficacité et la luminosité de l'appareil. Dans une dernière démonstration, ils ont effectué un test de durée de vie opérationnelle de la LED à base de benzyl pérovskite. En fonctionnement continu avec un courant d'injection élevé et dans des conditions ambiantes, l'appareil a duré 25 minutes.
"Par rapport aux LED organiques, qui peut durer 100, 000 heures, 25 minutes peuvent sembler courtes, " a déclaré Nie. "Mais c'est une amélioration si l'on considère que les pérovskites commencent tout juste à être recherchées et qu'elles ont tendance à être sensibles à diverses conditions externes telles que l'humidité et les tensions appliquées. Cette avancée nous fait faire un pas en avant vers des LED à base de pérovskite plus stables. »
Dans les études de suivi, l'équipe déterminera si l'intégration des pérovskites 2D dans une matrice organique pourrait aider à prévenir la dégradation. Ils exploreront également d'autres espaceurs organiques susceptibles d'améliorer l'effet de recombinaison de charges.
« En raison de leur capacité de fabrication à faible coût et de leurs propriétés optoélectroniques souhaitables, Les pérovskites 2D sont passionnantes non seulement pour les LED mais aussi pour d'autres applications, " a déclaré Tsai. " Ces matériaux électroluminescents pourraient être utiles pour l'imagerie médicale aux rayons X, communications optiques, et laser, par exemple."
