Investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) utilizaron espectroscopia de una sola partícula para estudiar la electroluminiscencia en dispositivos emisores de luz. Descubrieron que la canalización de carga eficiente entre los nanocristales de perovskita individuales y el fenómeno del parpadeo de emisión son responsables de la baja eficiencia de los dispositivos emisores de luz de perovskita.

Las perovskitas de haluro metálico han surgido recientemente como un material alternativo excepcionalmente prometedor para aplicaciones optoelectrónicas de próxima generación. Las estructuras de perovskita de tamaño nanométrico poseen propiedades fotofísicas notables, como bandgap directo, sintonía del color, una gran sección transversal de absorción, y estrecho ancho de línea de fotoluminiscencia. Junto con su bajo costo, viabilidad para la síntesis a gran escala, procesabilidad de la solución y compatibilidad con componentes de dispositivos optoelectrónicos existentes, Estas propiedades hacen que los nanocristales de perovskita de haluro metálico sean una alternativa viable a otros materiales semiconductores para una variedad de aplicaciones de emisión de luz, incluidas pantallas, Encendiendo, láseres así como dispositivos de memoria.

Sin embargo, mientras que los nanocristales de perovskita muestran un rendimiento de fotoluminiscencia muy alto, Los dispositivos de electroluminiscencia preparados a partir de tales nanocristales han sufrido durante mucho tiempo de baja eficiencia. Los esfuerzos recientes se han concentrado en la ingeniería de dispositivos para superar este problema, pero hasta ahora, No se ha realizado ningún estudio sistemático sobre el origen físico a nanoescala de las eficiencias deficientes. Aquí, el equipo del prof. Martin Vacha, de Tokyo Tech, utilizó la espectroscopia y la detección microscópica de una sola partícula para estudiar el proceso de electroluminiscencia a nivel de nanocristales individuales.

El equipo utilizó nanocristales de perovskita CsPbBr ₃ pasivado superficialmente con ligandos de ácido oleico, dispersado en una película delgada de un polímero conductor que se utilizó como capa de emisión en un dispositivo emisor de luz (LED). El dispositivo fue construido para su uso en la parte superior de un microscopio de fluorescencia invertido, lo que permitió la comparación de electroluminiscencia y fotoluminiscencia de los mismos nanocristales. El CsPbBr ₃ Los nanocristales forman agregados dentro de la capa de emisión, cada agregado contiene decenas a cientos de nanocristales individuales.

Los investigadores utilizaron imágenes avanzadas de superresolución para determinar que mientras se encuentran en fotoluminiscencia, todos los nanocristales del agregado emiten luz; en electroluminiscencia, solo un pequeño número (típicamente de tres a siete) de los nanocristales están emitiendo activamente (Fig. 1). Esto es el resultado de la distribución del tamaño y el consiguiente panorama energético dentro del agregado. Las cargas eléctricas que se inyectan en el dispositivo durante la operación se capturan en nanocristales individuales y se canalizan de manera eficiente hacia los nanocristales más grandes. Los nanocristales más grandes dentro del agregado tienen la banda prohibida de energía más pequeña, y sus bandas de valencia y conducción funcionan como trampas para las cargas capturadas originalmente en los nanocristales circundantes. El entorno conductor presente entre los nanocristales permite la migración eficiente de las cargas a estas trampas desde donde tiene lugar la electroluminiscencia. como se muestra esquemáticamente en la Fig.1.

Otro hallazgo importante es que la intensidad de la electroluminiscencia de los nanocristales que emiten activamente no es constante, sino que muestra fuertes fluctuaciones, el llamado parpadeo (Fig. 1). Tal parpadeo no está presente en la fotoluminiscencia de los mismos agregados. Los investigadores han descubierto anteriormente que el parpadeo puede ser causado por la matriz conductora, así como por un campo eléctrico aplicado externamente. En el dispositivo LED, el fenómeno del parpadeo es un factor crucial que contribuye a la menor eficiencia de la electroluminiscencia. Los investigadores concluyeron que la eficiencia de la electroluminiscencia es solo alrededor de un tercio de la de la fotoluminiscencia debido a la presencia del fenómeno de parpadeo.

El presente trabajo señala un camino hacia la caracterización a nanoescala eficiente de la electroluminiscencia de materiales de perovskita de haluro para aplicaciones emisoras de luz. Una de las claves para lograr una mayor eficiencia será la ingeniería de la superficie de los nanocristales que suprimiría las fluctuaciones de intensidad.