Un cinquième de la consommation électrique mondiale est basé sur l'éclairage; une émission de lumière blanche efficace et stable avec des matériaux uniques est idéale pour les applications. L'émission de photons qui couvre tout le spectre visible est, cependant, difficile à atteindre avec un seul matériau. Pérovskites aux halogénures métalliques, par exemple, ont des propriétés d'émission exceptionnelles mais contiennent du plomb, et donc donner une stabilité insatisfaisante. Un nouveau rapport publié par Jiajun Luo et ses collègues détaille une double pérovskite sans plomb qui présentait une émission de lumière blanche stable et efficace. Dans son mécanisme d'action, le matériau a produit des excitons auto-piégés (STE) en raison de la distorsion de Jahn-Teller de l'AgCl 6 octaèdre à l'état excité du complexe, observé lors de l'étude du couplage exciton-phonon dans le réseau cristallin. Les résultats sont maintenant publiés dans La nature .

L'émission de lumière blanche à partir d'une seule couche d'émetteur est intéressante dans les applications d'éclairage en raison de sa simplicité par rapport aux émetteurs multiples. Typiquement, les émissions à large bande et de lumière blanche proviennent d'excitons auto-piégés (STE) existant dans les semi-conducteurs avec des porteurs localisés et un réseau mou. Les auteurs se sont concentrés sur la double pérovskite Cs 2 AgInCl 6 comme un matériau prometteur qui émet une lumière blanche chaude en raison de son large spectre et entièrement inorganique, caractère sans plomb. L'étude a optimisé l'alliage pour former du Cs 2 (Ag 0,6 N / A 0,4 )Incl 6 avec un faible pourcentage de dopage au bismuth pour émettre une lumière blanche chaude avec une efficacité quantique accrue pendant plus de 1000 heures. Les matériaux pour les applications d'éclairage peuvent être définis comme ceux émettant une lumière blanche « chaude » pour les applications intérieures et une lumière blanche « froide » qui se rapproche de la région visible du spectre solaire. Dans l'étude, Luo et al ont d'abord cherché à comprendre les origines des émissions à large bande dans Cs 2 AgInCl 6 en utilisant la modélisation mathématique et des études informatiques pour détendre le réseau et représenter les excitons auto-piégés (STE) pour étudier le couplage exciton-phonon. De tels systèmes seront fondamentaux pour concevoir la prochaine génération de technologies d'éclairage et d'affichage écoénergétiques et rentables.

Un exciton auto-piégé (STE) est défini comme un porteur de paire électron-trou lié qui peut considérablement améliorer la luminescence, transport d'énergie et formation de défauts de réseau dans le cristal. Les chercheurs ont découvert que les STE dans la double pérovskite C 2 AgInCl 6 , résulte d'une forte distorsion de Jahn-Teller de l'intégrale AgCl 6 complexe d'octaèdres. Les excitons piégés avaient un caractère orbital similaire à l'exciton libre, indiquant une transition interdite à la parité (survenant en raison de la perturbation du centre de symétrie). L'analyse théorique a montré un rendement quantique de photoluminescence (PLQY) extrêmement faible pour le Cs pur 2 AgInCl 6. Pour améliorer le PLQY pour des applications pratiques en tant que matériaux à large bande, le système a dû être modifié, spécifiquement en brisant la transition interdite par la parité pour manipuler la symétrie de la fonction d'onde STE.

Une approche pratique pour y parvenir était via la substitution partielle de Ag avec un élément qui pourrait soutenir la double structure pérovskite. Le substitut nécessitait une configuration électronique distinctement différente de Ag, tel qu'un élément du groupe IA ou un métal alcalin. Les scientifiques ont donc exploré l'alliage de Na en Cs 2 AgInCl 6 pour former du C pur 2 NaInCl 6, qui a démontré une émission large bande sur substitution mais avec une très faible efficacité en raison d'une forte émission de phonons, nécessitant une optimisation de la teneur en Na dans le complexe.

Étant donné que l'inadéquation du réseau entre les deux pérovskites (Cs 2 AgInCl 6 etCs 2 NaInCl 6 ) était très faible (0,3 pour cent) les scientifiques anticipaient Na ⁺ l'incorporation se produirait sans défauts préjudiciables ni séparation de phases. Pour la synthèse, CsCl, NaCl, AgCl et InCl 3 les précurseurs ont été mélangés à une solution d'HCl dans un autoclave hydrothermal. Le mélange a été chauffé pendant une période de temps définie et refroidi pour donner un produit précipité blanc final (rendement de 90 pour cent). La phase pure double pérovskite a été confirmée en utilisant des diagrammes de diffraction des rayons X (XRD) d'une série de compositions de produits. Les résultats sont en accord avec la spectrométrie d'émission optique à plasma (ICP-OES). Les résultats étaient également en accord avec des expériences d'alliage similaires qui ont été précédemment menées avec du lithium (Li). L'étude a donc suggéré une tendance générale à l'amélioration de la photoluminescence induite par les métaux alcalins dans les pérovskites doubles.

Les spectres de photoluminescence ont été enregistrés pour une série de poudres de produits en faisant varier la température des mesures. Les auteurs ont optimisé la teneur en Na aux côtés du bismuth (Bi ³⁺ ) dopage pour améliorer la qualité du cristal et refroidissement lent pour obtenir le PLQY le plus élevé (85 ± 5 %) enregistré jusqu'à présent pour les matériaux émettant de la lumière blanche afin de former le Cs allié de manière optimale 2 Ag 0,6 N / A 0,4 InCl 6 dans l'étude.

Les spectres d'excitation par photoluminescence (PLE) ont confirmé l'origine STE de l'émission blanche pour confirmer expérimentalement l'échelle de temps calculée de l'auto-piégeage des excitons. La pérovskite Na (Cs 2 Ag 0,6 N / A 0,4 InCl 6 ) présentaient une dépendance linéaire de la puissance de photoexcitation. Des tests théoriques supplémentaires ont été effectués pour comprendre comment PLQY variait en fonction de la teneur en Na.

Au fur et à mesure que la teneur en Na augmente, le moment dipolaire de transition a augmenté puis diminué pour soutenir le PLQY dépendant de la composition observé dans l'étude. La fonction d'onde électronique des STE a également été comparée avant et après l'alliage avec Na. L'incorporation de Na a brisé la symétrie d'inversion du Cs 2 AgInCl 6 treillis, changer la fonction d'onde des électrons au site Ag de symétrique à asymétrique. Deux facteurs ont contribué à la diminution de PLQY lors d'une augmentation supplémentaire de la teneur en Na. Le premier était le chevauchement orbital entre les électrons et les trous des STE en cas d'augmentation de la teneur en Na. La deuxième raison de la diminution observée de PLQY avec une augmentation de Na était due à une augmentation de la perte non radiative dans l'alliage riche en Na.

Un défi majeur pour les applications d'éclairage est le paramètre de stabilité des émissions. Les C 2 Ag 0,6 N / A 0,4 InCl 6 la pérovskite a montré une émission stable dans l'étude avec une faible dégradation des émissions. Lorsque la poudre a été recuite sur une plaque chauffante, seule une décroissance de photoluminescence minimale de l'émission blanche a été observée, les auteurs ont proposé que les observations puissent être dues à des excitons fortement liés et à un réseau presque sans défaut qui empêchait l'extinction de la photoluminescence tout en résistant au stress thermique.

Les scientifiques ont ensuite développé une diode électroluminescente blanche (LED) en pressant directement les poudres de pérovskite de Na sur une puce LED ultraviolette commerciale, sans encapsulation époxy ou silice pour la protection. Avec la contribution de la lumière bleue de la puce LED UV, l'appareil a démontré une température de couleur de 4, 054 K pour répondre aux exigences d'éclairage intérieur. Lorsque la LED blanche a fonctionné pendant plus de 1000 heures dans l'air, une dégradation négligeable a été observée. Les performances photométriques exceptionnelles combinées à une fabrication facile sont prometteuses pour les applications d'éclairage au phosphore blanc.

De cette façon, les scientifiques ont présenté une nouvelle stratégie pour produire une émission à large bande associée aux STE pour l'électroluminescence à lumière blanche basée sur un seul matériau, permettant la formation d'un prototype de dispositif d'électroluminescence à base de pérovskite. Pour augmenter les performances d'électroluminescence à l'avenir, d'autres recherches devraient se concentrer sur l'optimisation de la qualité de la couche émettrice du Cs 2 Ag 0,6 N / A 0,4 InCl 6 cinéma. L'étude a montré que l'alliage de Na en Cs 2 Cl AgIn 6 a rompu la transition interdite par la parité comme prévu pour réduire sa dimensionnalité électronique et permettre une émission de lumière blanche efficace via les STE.

Le matériau émettant de la lumière blanche a également démontré une fabrication à faible coût et une stabilité exceptionnelle en tant que plate-forme d'éclairage à semi-conducteurs prometteuse. Les auteurs pensent que de telles pérovskites aux halogénures doubles ont de grandes possibilités d'applications dans l'affichage et l'éclairage après une étude plus approfondie pour réaliser leur plein potentiel. Les résultats stimuleront la recherche sur les luminophores et les diodes émettant de la lumière blanche à émetteur unique pour générer la prochaine génération de technologies d'éclairage et d'affichage.

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