Τα LED που δημιουργούνται από θαυμαστό υλικό θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση στον φωτισμό και τις οθόνες

Στις ηλιακές κυψέλες, τα φθηνά, εύκολα κατασκευασμένα υλικά που ονομάζονται περοβσκίτες είναι ικανά να μετατρέπουν τα φωτόνια σε ηλεκτρισμό. Τώρα, οι περοβσκίτες γυρίζουν τα τραπέζια, μετατρέποντας τα ηλεκτρόνια σε φως με απόδοση ανάλογη με αυτή των εμπορικών οργανικών διόδων εκπομπής φωτός (LED) που βρίσκονται σε κινητά τηλέφωνα και τηλεοράσεις επίπεδης οθόνης. Και σε μια γεύση του πώς θα μπορούσαν μια μέρα να αξιοποιηθούν, οι ερευνητές ανέφεραν την περασμένη εβδομάδα στο Science Advances ότι έχουν χρησιμοποιήσει έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή για να σχεδιάσουν περοβσκίτες για χρήση σε έγχρωμες οθόνες.

"Είναι ένα φανταστικό αποτέλεσμα και αρκετά εμπνευσμένο", λέει ο Richard Friend, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Cambridge στο Ηνωμένο Βασίλειο του οποίου η ομάδα δημιούργησε το πρώτο LED περοβσκίτη το 2014. Το αποτέλεσμα δημιουργεί ελπίδες ότι οι οθόνες των υπολογιστών και οι γιγαντιαίες οθόνες του μέλλοντος θα αποτελείται από αυτές τις φτηνές κρυσταλλικές ουσίες, φτιαγμένες από κοινά συστατικά. Ωστόσο, ο φίλος προειδοποιεί ότι οι νέες οθόνες περοβσκίτη δεν είναι ακόμη εμπορικά βιώσιμες.

Τα υλικά στα τρέχοντα LED ημιαγωγών, συμπεριλαμβανομένων των οργανικών εκδόσεων, απαιτούν επεξεργασία σε υψηλές θερμοκρασίες σε θαλάμους κενού για να διασφαλιστεί ότι οι προκύπτοντες ημιαγωγοί είναι παρθένοι. Αντίθετα, οι περοβσκίτες μπορούν να παρασκευαστούν απλά με ανάμιξη των χημικών τους συστατικών σε διάλυμα σε θερμοκρασία δωματίου. Χρειάζεται μόνο μια σύντομη θερμική επεξεργασία για να κρυσταλλωθούν. Και παρόλο που οι κρύσταλλοι περοβσκίτη καταλήγουν με ατέλειες, αυτά τα ελαττώματα συνήθως δεν καταστρέφουν την ικανότητα των υλικών να εκπέμπουν φως.

Στα περισσότερα LED περοβσκίτη, τα ηλεκτρόδια που συγκρατούν το υλικό που εκπέμπει φως αποδίδουν φορτία—αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και θετικά φορτισμένα κενά ηλεκτρονίων. Όταν τα φορτία συναντώνται στο κέντρο του σάντουιτς, τα ηλεκτρόνια γεμίζουν τις κενές θέσεις και εγκαταλείπουν ένα κομμάτι της ενέργειάς τους ως φωτόνιο φωτός.

Το χρώμα του φωτονίου εξαρτάται από τα χημικά συστατικά του περοβσκίτη, επιτρέποντας στους ερευνητές να συντονίσουν το χρώμα αλλάζοντας τη συνταγή του περοβσκίτη. Τα πρώτα LED περοβσκίτη του ομίλου Cambridge έλαμψαν σχεδόν υπέρυθρα, κόκκινα ή πράσινα, ανάλογα με το μακιγιάζ τους. Από τότε, η ομάδα και άλλες ομάδες έχουν δημιουργήσει ένα πλήρες φάσμα χρωμάτων.

Τα πρώτα LED περοβσκίτη μετέτρεψαν μόνο το 0,76% των ηλεκτρονίων σε φωτόνια. Αυτό συμβαίνει επειδή τα ηλεκτρικά φορτία που κινούνται μέσα από το υλικό κόλλησαν στα όρια μεταξύ των μυριάδων κρυσταλλιδίων που αποτελούν το υλικό. Αλλά πολλές ομάδες έχουν ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο. Στα τέλη του περασμένου έτους στο Nature Photonics , για παράδειγμα, η ομάδα του Friend ανέφερε ότι με την προσθήκη ενός στρώματος πολυμερούς που εκπέμπει φως που βοηθά στην οδήγηση φορτίων γύρω από τα ελαττώματα της επιφάνειας, είχε φτιάξει κόκκινα LED περοβσκίτη με απόδοση 20,1%.

Μια ομάδα με επικεφαλής τον χημικό Edward Sargent στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο στον Καναδά ακολούθησε μια διαφορετική προσέγγιση πέρυσι, εμπλουτίζοντας τη συνταγή της για περοβσκίτη με ένα πρόσθετο που σχημάτισε κρυσταλλικά κελύφη γύρω από τους κρυσταλλίτες περοβσκίτη. Τα κοχύλια εμπόδισαν τα ελαττώματα από την παγίδευση φορτίων, με αποτέλεσμα ένα πράσινο LED περοβσκίτη με απόδοση 20,3%, ανέφερε η ομάδα στο Nature . Αυτό παραμένει πολύ χαμηλότερο από την απόδοση πολλών ανόργανων LED, αλλά είναι πιθανώς αρκετά καλό για ορισμένες εφαρμογές.

Ερευνητές με επικεφαλής τον Φενγκ Γκάο, έναν φυσικό στο Πανεπιστήμιο Linköping στη Σουηδία, ανέφεραν διαδικτυακά στις 25 Μαρτίου στο Nature Photonics ότι ανέπτυξαν έναν ακόμη τρόπο αντιμετώπισης του προβλήματος ελαττώματος. Στοχεύτηκαν στην τάση των ιόντων μολύβδου στις άκρες των κρυσταλλιδίων περοβσκίτη να παγιδεύουν τα διερχόμενα ηλεκτρόνια. Με ένα πρόσθετο που συνδέθηκε με το μόλυβδο, μείωσαν την πείνα των ιόντων για ηλεκτρόνια και δημιούργησαν ένα LED κοντά στο υπέρυθρο που είχε 21,6% απόδοση.

Ο ρυθμός των βελτιώσεων τα τελευταία 5 χρόνια ήταν «αρκετά εξαιρετικός», λέει ο Friend. Ωστόσο, καμία από τις συσκευές περοβσκίτη δεν επιβιώνει για περισσότερες από 50 ώρες, πολύ κάτω από τις εκτιμώμενες 10.000 ώρες που απαιτούνται για εμπορική χρήση. Το γιατί οι κρύσταλλοι περοβσκίτη καταρρέουν μετά από μερικές δεκάδες ώρες δεν είναι ξεκάθαρο, λέει ο Gao. Αλλά οι σύντομες ζωές μάστιζαν επίσης τα πρώτα οργανικά LED, σημειώνει. Και οι κατασκευαστές ηλιακών κυψελών περοβσκίτη έχουν λύσει σε μεγάλο βαθμό παρόμοια προβλήματα μακροζωίας προστατεύοντας τις συσκευές τους από τον αέρα και την υγρασία. "Είμαι αισιόδοξος ότι αυτή η περιοχή μπορεί επίσης να αναπτυχθεί γρήγορα και τα LED περοβσκίτη μπορούν να βελτιωθούν", λέει ο Gao.

Εάν το κάνουν, η τελευταία εργασία από ερευνητές με επικεφαλής την Jennifer Lewis, επιστήμονα υλικών στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, θα μπορούσε να υποδείξει νέες στρατηγικές για την κατασκευή οθονών. Η Lewis και οι συνεργάτες της χρησιμοποίησαν έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή για να τακτοποιήσουν μικροσκοπικές δομές περοβσκίτη σε σχήμα σύρματος σε πολύχρωμες οθόνες. Καθώς το "μελάνι" που μεταφέρει τα νανοσύρματα περνούσε μέσα από το ακροφύσιο του εκτυπωτή, οι δυνάμεις διάτμησης τα ευθυγράμμισαν, λέει ο Lewis. Ο κοινός προσανατολισμός των νανοσυρμάτων έδινε στο φως από κάθε LED μια μεμονωμένη προτιμώμενη ταλάντωση ή πόλωση.

Για τις πρωτότυπες οθόνες τους, η ομάδα του Lewis δεν συνδέει κάθε LED στα ηλεκτρόδια. Αντίθετα, οι ερευνητές εξέθεσαν ολόκληρη την οθόνη στο υπεριώδες φως (UV). Όπως μια εφαρμοζόμενη ηλεκτρική τάση, το υπεριώδες φως εκτοξεύει τα ηλεκτρόνια από την κανονική τους κατάσταση, επιτρέποντάς τους να κινηθούν. Στη συνέχεια, μπορούν να ανασυνδυαστούν με κενές θέσεις και να εκπέμπουν ορατό φως. Επειδή όμως το εκπεμπόμενο φως ήταν πολωμένο, η Lewis και οι συνεργάτες της μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν φίλτρα πόλωσης για να το ελέγξουν.

Σε ένα παράδειγμα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τρεις διαφορετικές συνθέσεις περοβσκίτη για να δημιουργήσουν οθόνες στις οποίες κάθε εικονοστοιχείο περιείχε ένα κόκκινο, πράσινο και μπλε σημείο δίπλα-δίπλα, με τον προσανατολισμό των νανοσυρμάτων σε κάθε σημείο να μετατοπίζεται κατά 60°. Περιστρέφοντας ένα φίλτρο πόλωσης, οι ερευνητές θα μπορούσαν να αναμείξουν χρώματα ή να απομονώσουν ένα μόνο χρώμα.

Πολλά εμπόδια παραμένουν για τα LED περοβσκίτη, λέει ο Sargent. Αλλά προσθέτει, "Αυτό το έργο θα πάει μπροστά 10 χρόνια στο μέλλον και δείχνει τι ωραία πράγματα μπορούμε να κάνουμε."