Algunos diodos emisores de luz (LED) creados a partir de perovskita, una clase de materiales optoelectrónicos, emiten luz en un amplio rango de longitudes de onda. Los científicos de la Universidad de Groningen ahora han demostrado que, en algunos casos, la explicación de este fenómeno es incorrecta. Su nueva explicación debería ayudar a los científicos a diseñar LED de perovskita capaces de emitir luz de amplio rango. El estudio fue publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza el 11 de mayo.

Las perovskitas de baja dimensión (2-D o 1-D) emiten luz en un rango espectral estrecho y, por lo tanto, se utilizan para fabricar diodos emisores de luz de una pureza de color superior. Sin embargo, en algunos casos, los investigadores han observado un amplio espectro de emisión a niveles de energía por debajo del espectro estrecho. Esto ha atraído un gran interés, ya que podría usarse para producir LED de luz blanca más fácilmente en comparación con los procesos actuales. Diseñar perovskitas para fines específicos, sin embargo, es necesario comprender por qué algunas perovskitas producen emisiones de amplio espectro mientras que otras emiten un espectro estrecho.

Confinamiento cuántico

Las perovskitas son un grupo versátil de materiales con una estructura cristalina distintiva conocida como estructura de perovskita. En una celda unitaria cúbica idealizada, Los aniones forman un octaedro alrededor de un catión central, mientras que las esquinas del cubo están ocupadas por otros, cationes más grandes. Se pueden usar diferentes iones para crear diferentes perovskitas.

En perovskitas híbridas, los cationes son moléculas orgánicas de diferentes tamaños. Cuando el tamaño supera una determinada dimensión, la estructura se vuelve bidimensional o estratificada. El confinamiento cuántico resultante tiene grandes consecuencias para las propiedades físicas del material, y en particular, para las propiedades ópticas.

Emisiones

"Hay muchos informes en la literatura donde, además de la emisión estrecha de estos sistemas de baja dimensión, existe un amplio espectro de baja energía. Y se cree que esto es una propiedad intrínseca del material, "dice Maria Loi, Catedrático de Fotofísica y Optoelectrónica en la Universidad de Groningen. Previamente, Los investigadores creían que las vibraciones de los átomos del octaedro pueden 'atrapar' un estado excitado en un excitón auto-atrapado, o estado de excitación atrapado en uno mismo, causando la fotoluminiscencia de amplio espectro, especialmente en estos sistemas bidimensionales y en sistemas donde los octaedros están aislados entre sí (dimensión cero).

Sin embargo, Las observaciones realizadas en el laboratorio de Loi parecen contradecir esta teoría, dice Simon Kahmann, investigadora postdoctoral en su equipo. "Uno de nuestros estudiantes estudió monocristales de una perovskita 2-D basada en yoduro de plomo y notó que algunos cristales emitían luz verde y otros emitían luz roja. Esto no es lo que cabría esperar si la emisión roja amplia fuera una propiedad intrínseca de este material."

Color

El equipo de investigación propuso que los defectos en estas perovskitas podrían cambiar el color de la luz emitida, . Por lo tanto, decidieron probar la interpretación convencional con un experimento ad hoc. Loi dice, "En la explicación teórica aceptada, las excitaciones deben ser mayores que la banda prohibida para producir una emisión amplia ". La banda prohibida es la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción.

Usando luz láser de diferentes colores, y por tanto de diferentes energías, estudiaron la emisión de los cristales. "Notamos que cuando usamos fotones por debajo de la energía de banda prohibida, la amplia emisión todavía se produjo, "dice Loi." Esto no debería haber sucedido de acuerdo con la interpretación de la corriente principal ".

Su explicación es que un estado de defecto con un nivel de energía dentro de la banda prohibida gobierna la emisión amplia y la gran variación de color de los cristales. "Creemos que es un defecto químico en el cristal, probablemente relacionado con el yoduro, que causa estados dentro de la banda prohibida, "dice Kahmann. Por lo tanto, las amplias emisiones no son una propiedad intrínseca del material, pero son causados ​​por un efecto extrínseco. Kahmann:"En este punto, no podemos descartar totalmente que esto sea una peculiaridad de las perovskitas de yoduro de plomo, pero es probable que sea una propiedad general de las perovskitas de baja dimensión ". Este hallazgo tiene profundas consecuencias, explica Loi. "Si queremos predecir compuestos nuevos y mejores que emiten luz en general, necesitamos entender el origen de esta emisión. No deberíamos dejarnos engañar por este camaleón ".

Hace poco más de 10 años, una clase de materiales que se convirtió en el centro de atención de la investigación científica. Estos materiales pueden convertir la luz en electricidad o la electricidad en luz:perovskitas híbridas. Estos se pueden utilizar en células solares, detectores de luz o rayos X, pero también se pueden utilizar como diodos emisores de luz. Algunas perovskitas emiten luz en una banda de longitud de onda estrecha, mientras que otras producen emisiones de banda ancha que podrían usarse para producir luz blanca. Los científicos de la Universidad de Groningen han demostrado ahora que la amplia emisión en perovskitas de yoduro de plomo 2-D no es una propiedad intrínseca del material. Esto significa que no es muy eficiente. Esto significa que las investigaciones ópticas de esta clase de materiales deben interpretarse con cuidado.