Команда учёных под руководством Университета Рутгерса разработала экологичный, очень стабильный и ультраяркий материал. Его использовали для генерации глубокого синего света (излучение на длине волны около 450 нм) в светодиоде (LED) — энергоэффективном устройстве, лежащем в основе всех основных систем освещения.
Новые материалы на основе гибрида иодида меди
Согласно учёным, впервые осуществившим это открытие, новые материалы на основе иодида меди обладают отличными характеристиками и будут способствовать развитию технологий производства синих светодиодов.
Описание процесса получения материала опубликовано в журнале Nature.
«Синие светодиоды лежат в основе современных энергоэффективных технологий освещения», — говорит Цзин Ли, заслуженный профессор химии и химической биологии в Школе искусств и наук Университета Рутгерса, возглавляющая исследование.
«Однако существующие варианты часто имеют проблемы со стабильностью, масштабируемостью, стоимостью, эффективностью или экологичностью из-за использования токсичных компонентов. Новый гибридный материал на основе иодида меди предлагает убедительное решение, используя свои нетоксичность, надёжность и высокие характеристики», — отмечает она.
Светодиоды (LED)
Светодиоды — это осветительные приборы, в которых используются специальные материалы, называемые полупроводниками, для эффективного и долговечного преобразования электричества в свет. Синие светодиоды были открыты в начале 1990-х годов и принесли их первооткрывателям Нобелевскую премию по физике 2014 года.
Синие светодиоды особенно важны, поскольку они используются для создания белого света и необходимы для общего освещения.
Ли и её коллеги из Рутгерса сотрудничали с учёными из Брукхейвенской национальной лаборатории и четырьмя другими исследовательскими группами, представляющими национальные и международные институты, чтобы разработать новые материалы, которые улучшили бы существующие синие светодиоды.
Исследователи, участвовавшие в исследовании, нашли способ сделать синие светодиоды более эффективными и устойчивыми, используя новый тип гибридного материала: комбинацию иодида меди с органическими молекулами.
«Мы хотели создать новые виды материалов, которые излучают очень яркий глубокий синий свет, и использовать их для производства светодиодов по более низкой цене, чем у нынешних синих светодиодов», — сказала Ли.
Гибридный полупроводник на основе иодида меди обладает рядом преимуществ по сравнению с некоторыми другими материалами, используемыми в светодиодах, отмечают учёные. Галогенид-свинцовые перовскиты, хотя и экономически эффективны, содержат свинец, токсичный для человека, а также имеют проблемы со стабильностью из-за чувствительности к влаге и кислороду.
Органические светодиоды (OLED) гибкие и потенциально эффективные, но могут иметь проблемы со структурной и спектральной стабильностью, что означает, что они могут быстро деградировать и со временем терять качество цвета. Коллоидные квантовые точки хорошо работают в основном в зелёных и низкоэнергетических светодиодах, и часто в их основе лежит кадмий, что может вызывать опасения по поводу токсичности. Фосфоресцентные органические излучатели могут быть дорогостоящими, и их синтез сложен.
«Новый материал представляет собой экологичную и стабильную альтернативу тому, что существует в настоящее время, решая некоторые из этих проблем и потенциально способствуя развитию светодиодной технологии», — говорит Ли.
Гибридный материал на основе иодида меди обладает такими благоприятными свойствами, как очень высокий квантовый выход фотолюминесценции — около 99,6%, что означает, что он преобразует почти всю фотоэнергию, которую получает, в синий свет.
Синие светодиоды, изготовленные из этого материала, достигли максимальной внешней квантовой эффективности (соотношение между количеством испускаемых фотонов и количеством инжектированных электронов) в 12,6%, что является одним из самых высоких показателей, достигнутых на сегодняшний день для обработанных раствором глубоко-синих светодиодов.
Эти светодиоды не только яркие, но и служат дольше по сравнению со многими другими. В нормальных условиях срок их службы составляет около 204 часов, что означает, что они могут продолжать светить в течение значительного времени, прежде чем их яркость начнёт угасать.
Кроме того, материал хорошо работает в более крупных приложениях. Исследователи успешно создали более крупное устройство, которое сохраняет высокую эффективность, показывая, что этот материал имеет потенциал для использования в реальных условиях.
Секрет впечатляющих характеристик материала заключается в инновационной технике, разработанной учёными, называемой двойной межфазной пассивацией водородными связями. Эта технология значительно повышает производительность светодиодов в четыре раза.
«Наш метод обработки минимизирует дефекты, которые могут препятствовать движению электрических зарядов на границе раздела этих гибридных материалов», — сказал Кун Чжу, бывший аспирант и постдокторант в Рутгерсе, который сейчас работает в Институте Макса Планка в Германии и является первым автором статьи. «Этот подход может стать универсальной стратегией для создания высокоэффективных светодиодов».
Если представить светодиод в виде бутерброда с разными слоями, то у каждого слоя есть определённая задача, например, излучать свет или транспортировать электроны и дырки. Иногда излучательный слой не идеально взаимодействует со слоями интерфейса, что может снизить эффективность или сократить срок службы. Эта технология устраняет такие проблемы, образуя водородные связи между слоями для создания более надёжных соединений.
«В целом, этот тип нового материала прокладывает путь к созданию более совершенных, ярких и долговечных светодиодов», — говорит Ли.