Une percée dans la stabilisation des nanocristaux introduit un source de lumière économe en énergie pour les appareils électroniques grand public, détecteurs et imagerie médicale.

Les diodes électroluminescentes (DEL) sont un héros méconnu de l'industrie de l'éclairage. Ils fonctionnent efficacement, dégagent peu de chaleur et durent longtemps. Maintenant, les scientifiques étudient de nouveaux matériaux pour fabriquer des LED plus efficaces et plus durables avec des applications dans l'électronique grand public, médecine et sécurité.

Des chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), Laboratoire national de Brookhaven, Le Los Alamos National Laboratory et le SLAC National Accelerator Laboratory signalent qu'ils ont préparé des nanocristaux de pérovskite stables pour de telles LED. L'Academia Sinica de Taïwan a également contribué à cet effort.

Les pérovskites sont une classe de matériaux qui partagent une structure cristalline particulière, ce qui leur confère des propriétés d'absorption et d'émission de lumière qui sont utiles dans une gamme d'applications écoénergétiques, y compris les cellules solaires et divers types de détecteurs.

Les nanocristaux de pérovskite ont été des candidats de choix en tant que nouveau matériau LED, mais se sont avérés instables lors des tests. L'équipe de recherche a stabilisé les nanocristaux dans une structure poreuse appelée charpente métallo-organique, ou MOF en abrégé. A base de matériaux riches en terre et fabriqué à température ambiante, ces LED pourraient un jour permettre des téléviseurs et des appareils électroniques grand public à moindre coût, ainsi que de meilleurs appareils d'imagerie à rayons gamma et même des détecteurs de rayons X auto-alimentés avec des applications en médecine, l'analyse de sécurité et la recherche scientifique.

"Nous nous sommes attaqués au problème de stabilité des matériaux pérovskites en les encapsulant dans des structures MOF, " dit Xuedan Ma, scientifique au Centre des matériaux nanométriques (CNM) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science. "Nos études ont montré que cette approche nous permet d'améliorer considérablement la luminosité et la stabilité des nanocristaux électroluminescents."

Hsinhan Tsai, un ancien boursier postdoctoral J. R. Oppenheimer à Los Alamos, ajoutée, "Le concept intrigant de combiner le nanocristal de pérovskite dans le MOF avait été démontré sous forme de poudre, mais c'est la première fois que nous l'intégrons avec succès en tant que couche d'émission dans une LED."

Les tentatives précédentes pour créer des LED à nanocristaux ont été contrecarrées par la dégradation des nanocristaux jusqu'à la phase de masse indésirable, perdre leurs avantages de nanocristaux et saper leur potentiel en tant que LED pratiques. Les matériaux en vrac sont constitués de milliards d'atomes. Les matériaux tels que les pérovskites en phase nano sont constitués de groupements de quelques à quelques milliers d'atomes, et donc se comporter différemment.

Dans leur approche originale, l'équipe de recherche a stabilisé les nanocristaux en les fabriquant au sein de la matrice d'un MOF, comme des balles de tennis prises dans une clôture à mailles losangées. Ils ont utilisé des nœuds de plomb dans la charpente comme précurseur métallique et des sels d'halogénure comme matière organique. La solution de sels d'halogénure contient du bromure de méthylammonium, qui réagit avec le plomb dans la charpente pour assembler des nanocristaux autour du noyau de plomb piégé dans la matrice. La matrice maintient les nanocristaux séparés, afin qu'ils n'interagissent pas et ne se dégradent pas. Cette méthode est basée sur une approche de revêtement en solution, beaucoup moins cher que le traitement sous vide utilisé pour créer les LED inorganiques largement utilisées aujourd'hui.

Les LED stabilisées par MOF peuvent être fabriquées pour créer un rouge vif, lumière bleue et verte, avec différentes nuances de chacun.

"Dans ce travail, nous avons démontré pour la première fois que des nanocristaux de pérovskite stabilisés dans un MOF vont créer des brillants, LED stables dans une gamme de couleurs, " a déclaré Wanyi Nie, scientifique au Centre de nanotechnologies intégrées du Laboratoire national de Los Alamos. "Nous pouvons créer différentes couleurs, améliorer la pureté des couleurs et augmenter le rendement quantique de photoluminescence, qui est une mesure de la capacité d'un matériau à produire de la lumière."

The research team used the Advanced Photon Source (APS), a DOE Office of Science User Facility at Argonne, to perform time-resolved X-ray absorption spectroscopy, a technique that allowed them to spot the changes in the perovskite material over time. Researchers were able to track electrical charges as they moved through the material and learned important information about what happens when light is emitted.

"We could only do this with the powerful single X-ray pulses and unique timing structure of the APS, " said Xiaoyi Zhang, group leader with Argonne's X-ray Science Division. "We can follow where the charged particles were located inside the tiny perovskite crystals."

In durability tests, the material performed well under ultraviolet radiation, in heat and in an electrical field without degrading and losing its light-detecting and light-emitting efficiency, a key condition for practical applications such as TVs and radiation detectors.

This research appeared in Photonique de la nature , in a paper entitled "Bright and stable light emitting diodes made with perovskite nanocrystals stabilized in metal-organic frameworks." Argonne researchers contributing to this work include Xuedan Ma, Gary Wiederrecht and Xiewen Wen from the CNM, and Xiaoyi Zhang and Cunming Liu from the APS. Researchers from other institutions include Hsinhan Tsai, Shreetu Shrestha, Rafael A. Vilá, Wenxiao Huang, Cheng-Hung Hou, Hsin-Hsiang Huang, Mingxing Li, Yi Cui, Mircea Cotlet and Wanyi Nie.