Un gran avance en la estabilización de nanocristales introduce un bajo costo, fuente de luz energéticamente eficiente para dispositivos electrónicos de consumo, detectores e imágenes médicas.

Los diodos emisores de luz (LED) son un héroe anónimo de la industria de la iluminación. Corren de manera eficiente, desprenden poco calor y duran mucho tiempo. Ahora los científicos están buscando nuevos materiales para fabricar LED más eficientes y de mayor duración con aplicaciones en electrónica de consumo, medicina y seguridad.

Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Laboratorio Nacional Brookhaven, Los Alamos National Laboratory y SLAC National Accelerator Laboratory informan que han preparado nanocristales de perovskita estables para tales LED. También contribuyó al esfuerzo la Academia Sinica en Taiwán.

Las perovskitas son una clase de material que comparte una estructura cristalina particular que les confiere propiedades de absorción y emisión de luz que son útiles en una variedad de aplicaciones energéticamente eficientes. incluyendo células solares y varios tipos de detectores.

Los nanocristales de perovskita han sido los principales candidatos como nuevo material LED, pero han demostrado ser inestables en las pruebas. El equipo de investigación estabilizó los nanocristales en una estructura porosa llamada marco metalorgánico, o MOF para abreviar. Basado en materiales abundantes en la tierra y fabricado a temperatura ambiente, estos LED podrían algún día permitir televisores y productos electrónicos de consumo más económicos, así como mejores dispositivos de imágenes de rayos gamma e incluso detectores de rayos X autoamplificados con aplicaciones en medicina, análisis de seguridad e investigación científica.

"Atacamos el problema de la estabilidad de los materiales de perovskita encapsulándolos en estructuras MOF, "dijo Xuedan Ma, científico en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne (CNM), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. "Nuestros estudios demostraron que este enfoque nos permite mejorar sustancialmente el brillo y la estabilidad de los nanocristales emisores de luz".

Hsinhan Tsai, ex becario postdoctoral J. R. Oppenheimer en Los Alamos, adicional, "El intrigante concepto de combinar nanocristales de perovskita en MOF se había demostrado en forma de polvo, pero esta es la primera vez que lo integramos con éxito como capa de emisión en un LED ".

Los intentos anteriores de crear LED de nanocristales se vieron frustrados por la degradación de los nanocristales a la fase de volumen no deseada. perdiendo sus ventajas de nanocristales y socavando su potencial como LED prácticos. Los materiales a granel constan de miles de millones de átomos. Los materiales como las perovskitas en la nano fase están hechos de agrupaciones de unos pocos a unos pocos miles de átomos, y así comportarse de manera diferente.

En su enfoque novedoso, el equipo de investigación estabilizó los nanocristales fabricándolos dentro de la matriz de un MOF, como pelotas de tenis atrapadas en una valla de tela metálica. Utilizaron nodos de plomo en la estructura como precursor de metal y sales de haluro como material orgánico. La solución de sales de haluro contiene bromuro de metilamonio, que reacciona con el plomo en la estructura para ensamblar nanocristales alrededor del núcleo de plomo atrapado en la matriz. La matriz mantiene separados los nanocristales, para que no interactúen y se degraden. Este método se basa en un enfoque de recubrimiento en solución, mucho menos costoso que el procesamiento al vacío utilizado para crear los LED inorgánicos de uso generalizado en la actualidad.

Los LED estabilizados con MOF se pueden fabricar para crear rojo brillante, luz azul y verde, junto con diferentes tonos de cada uno.

"En este trabajo, demostramos por primera vez que los nanocristales de perovskita estabilizados en un MOF crearán brillantes, LEDs estables en una gama de colores, "dijo Wanyi Nie, científico del Centro de Nanotecnologías Integradas del Laboratorio Nacional de Los Alamos. "Podemos crear diferentes colores, mejorar la pureza del color y aumentar el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia, que es una medida de la capacidad de un material para producir luz ".

El equipo de investigación utilizó 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 Fotónica de la naturaleza , 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.