Молекулярная добавка улучшает следующее

Работа с недорогими светодиодными фонарями повысила их яркость и эффективность, но новые лампы прослужили всего несколько минут.

Инженерная школа Стэнфордского университета

Изображение: Восемь зеленых перовскитовых светодиодных подложек в лаборатории Конгрива светятся, когда исследователи освещают их ультрафиолетовым светом.посмотреть больше

Фото: Себастьян Фернандес / Стэнфордский университет.

Скорее всего, экран, с которого вы читаете, светится благодаря светодиодам, широко известным как светодиоды. Эта широко распространенная технология обеспечивает энергоэффективное внутреннее освещение и все чаще освещает мониторы наших компьютеров, телевизоры и экраны смартфонов. К сожалению, это также требует относительно трудоемкого и дорогостоящего производственного процесса.

Надеясь устранить этот недостаток, исследователи из Стэнфорда протестировали метод, который повысил яркость и эффективность перовскитных светодиодов, или PeLED, более дешевой и простой в изготовлении альтернативы. Однако их усовершенствования привели к тому, что свет погас в считанные минуты, демонстрируя осторожные компромиссы, которые необходимо понимать для продвижения этого класса материалов.

«Мы сделали несколько больших шагов к пониманию того, почему это деградирует. Вопрос в том, сможем ли мы найти способ смягчить это, сохранив при этом эффективность?» — говорит Дэн Конгрив, доцент кафедры электротехники и старший автор статьи, опубликованной 1 августа в журнале Device. «Если мы сможем это сделать, я думаю, мы действительно сможем начать работу над жизнеспособным коммерческим решением».

Проще говоря, светодиоды преобразуют электрическую энергию в свет, пропуская электрический ток через полупроводник – слои кристаллического материала, который излучает свет с помощью приложенного электрического поля. Но создание этих полупроводников становится сложным и дорогостоящим по сравнению с менее энергоэффективными лампами накаливания и флуоресцентными лампами.

«Многие из этих материалов выращиваются на дорогих поверхностях, таких как четырехдюймовая сапфировая подложка», — говорит Себастьян Фернандес, аспирант лаборатории Конгрива и ведущий автор статьи. «Просто покупка этого субстрата стоит несколько сотен долларов».

В PeLED используются полупроводники, известные как металлогалогенидные перовскиты, состоящие из смеси различных элементов. Инженеры могут выращивать кристаллы перовскита на стеклянных подложках, экономя значительную сумму по сравнению с обычными светодиодами. Они также могут растворять перовскиты в растворе и «нарисовать» его на стекле, чтобы создать светоизлучающий слой, что является более простым производственным процессом, чем требуется для обычных светодиодов.

Эти преимущества могут сделать энергоэффективное внутреннее освещение возможным для большей части застроенной среды, снижая спрос на энергию. PeLED также могут улучшить чистоту цвета дисплеев смартфонов и телевизоров. «Зеленый цвет более зеленый, синий — более синий», — говорит Конгрив. «Вы можете буквально увидеть больше цветов с устройства».

Однако сегодня большинство PeLED прекращают свое действие всего через несколько часов. И они часто не соответствуют энергоэффективности стандартных светодиодов из-за случайных пробелов в атомной структуре перовскита, известных как дефекты. «Здесь должен быть атом, но его нет», — объясняет Конгрив. «Энергия поступает туда, но свет не выходит наружу, поэтому это снижает общую эффективность устройства».

Чтобы смягчить эти проблемы, Фернандес использовал метод, дебютировавший Конгривом и Махешем Гангишетти, доцентом кафедры химии Университета штата Миссисипи и соавтором статьи. Многие из этих энергозатратных щелей в перовскитах возникают там, где должны быть атомы свинца. Заменив 30% свинца в перовските атомами марганца, что помогает заполнить эти пробелы, команда более чем удвоила яркость своих PeLED, почти утроила эффективность и продлила срок службы ламп с менее чем одной минуты до 37 минут.

Этот метод также потенциально может изменить ситуацию с риском для здоровья. «Свинец чрезвычайно важен для излучения света в этом материале, но в то же время известно, что свинец токсичен», — говорит Фернандес. Этот тип свинца также растворим в воде, то есть он может просочиться, скажем, через треснувший экран смартфона. «Люди скептически относятся к токсичным коммерческим технологиям, поэтому это также подтолкнуло меня рассмотреть другие материалы».