Синий светодиод показывает, ограничения и перспективы перовскита полупроводников

Университет Калифорнии, Беркли, ученые создали синего светоизлучающего диода (Сид) от модный новый полупроводниковый материал, галогенид перовскита, преодолевая главное препятствие в работе недорогой, простой в изготовлении материалов в электронных устройствах.

В процессе, однако, исследователи обнаружили фундаментальное свойство галоидных перовскитов, которые могут оказаться препятствием для их повсеместного использования в качестве солнечных батарей и транзисторов.

Кроме того, это уникальное свойство может открыть целый новый мир для перовскитов далеко за пределами современных стандартных полупроводников.

В статье, опубликованной января. 24 в журнале Science авансы, Беркли химик Peidong Yang и его коллеги показывают, что кристаллическая структура галоидных перовскитов меняется с изменением температуры, влажности и химической среды, нарушая их оптические и электронные свойства. Без тщательного контроля физической и химической среды, устройств перовскита неустойчива. Это не является серьезной проблемой для традиционных полупроводников.

«Некоторые люди могут сказать, что это ограничение. Для меня это отличная возможность», — сказал Ян, С. К. и Анджела Чан, заведующая кафедрой энергетического колледжа химии и директор Института энергии Нанонаук Кавли. «Это новая физика: новый класс полупроводников, которые могут быть легко изменена, в зависимости от того, какая среда Вы их поместили. Они могли бы быть действительно хороший датчик, может действительно хороший фотобарабан, потому что они будут очень чувствительны в их реакции на свет и химическими веществами».

Ток полупроводники из кремния или нитрида галлия являются очень стабильными в широком диапазоне температур, прежде всего потому, что их кристаллические структуры удерживаются вместе с помощью прочных ковалентных связей. — Галоидных кристаллах перовскита скрепляются более слабые ионные связи, как в кристалл соли. Это означает, что они легче-они могут быть испарена из простого решения, но также чувствительны к влажности, жары и других климатических условий.

«Эта статья не только про показуху, что мы сделали это синий светодиод,» сказал Янг, который является старшим научным сотрудником факультета Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Лаборатория Беркли) и профессор Калифорнийского университета в Беркли материаловедения и инженерии. «Мы также говорим людям, что мы действительно должны обратить внимание на структурную эволюцию перовскитах при работе с прибором, любое время вы ведете этих перовскитах с помощью электрического тока, будь то светодиодные солнечный элемент или транзистор. Это имманентное свойство этого нового класса полупроводниковых и затрагивает любые потенциальные оптоэлектронные устройства в будущем, используя этот класс материала».

Синий диод блюз

Полупроводниковые диоды, которые излучают синий свет всегда был проблемой, сказал Ян. Нобелевская премия 2014 года по физике была присуждена за создание прорывных эффективных голубых светоизлучающих диодов из нитрида галлия. Диоды, которые излучают свет, когда электрический ток течет через них, оптоэлектронные компоненты волоконно-оптических сетей, а также общего назначения, светодиодные фонари.

Поскольку галоидных перовскитов впервые привлек широкое внимание в 2009 году, когда японские ученые обнаружили, что они делают высокоэффективные солнечные ячейки, эти легко, недорого кристаллы будоражили воображение исследователей. До сих пор, красные и зеленые светодиоды были продемонстрированы, но не синий. Галогенид перовскита синие светодиоды были неустойчивы-то есть, их цвет смещается больше, краснее длин волн с использованием.

Как Ян и его коллеги обнаружили, это связано с уникальной природой кристаллической структуры перовскитов’. Галоидных перовскитов состоят из металлов, таких как свинец или олово, поровну больше атомов, таких как цезий, и в три раза превышает число атомов галогенов, таких как хлор, бром или йод.

Когда эти элементы смешиваются в растворе, а затем высушенный, атомы собрать в кристалл, подобно тому, как соль начинает кристаллизироватсья из морской воды. Используя новую технику и ингредиенты, цезий, свинец и бром, в Беркли и в Беркли лаборатории химики создали перовскитных кристаллов, которые излучают синий свет, а затем засыпали их рентген в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC), чтобы определить их кристаллической структуры при различных температурах. Они нашли, что при нагревании от комнатной температуры (около 300 К) до примерно 450 Кельвин, обычная рабочая температура для полупроводников, раздавленный структура кристалла расширяются и в конце концов вскочил в новой конфигурации ромбической или тетрагональной.

Поскольку свет, излучаемый этими кристаллами, зависит от расположения и расстояния между атомами, цвет изменяется с температурой, а также. Перовскита Кристалл, излучаемый синий свет (450 Нм длина волны) при 300 Кельвинах вдруг излучаемый сине-зеленый свет при 450 градусах Кельвина.

Ян атрибутами гибкую кристаллическую структуру перовскитов на более слабые ионные связи, типичные для атомов галоида. Натуральный минерал перовскит включает в себя кислород вместо галогенидов, производя очень устойчивый минерал. На основе кремния и нитрида галлия полупроводниковых приборов являются так же стабильна, поскольку атомы связаны прочными ковалентными связями.

Делая сине-излучающих перовскиты

По словам Янга, синие светодиоды перовскита было трудно создавать, потому что стандартная методика выращивания кристаллов в виде тонкой пленки способствует образованию смешанных кристаллических структур, каждая из которых излучает на другой волне. Электроны получают скатывались до тех кристаллов с наименьшей шириной запрещенной зоны, т. е. наименьший диапазон запрещено энергии-прежде чем испускать свет, который, как правило, красный.

Чтобы избежать этого, Янг постдоки и co-первые авторы — Хун Чэнь, Цзя Линь и Joohoon Кан-вырос один, слоистых кристаллов перовскита и, приспосабливаясь низкотехнологичный способ создания графена, используется ленточный шелушится один слой равномерный перовскита. При включении в цепь и вырубил электричество, Перовский светились синим. Фактические синий длина волны варьируется в зависимости от количества слоев октаэдрические кристаллы перовскита, которые отделены одна от другой слоем органических молекул, что позволяет отделять слои перовскита, а также защищает поверхность.

Тем не менее, эксперименты на ускорителе SLAC показали, что сине-излучающих перовскиты изменили свои цвета излучения с температурой. Это свойство может иметь интересные приложения, сказал Ян. Два года назад, он показал окно, выполненное из галогенид перовскита, что становится темно на солнце и прозрачный, когда солнце идет вниз и производит фотоэлектрической энергии.

«Мы должны думать по-разному использования этого класса полупроводников», — сказал он. «Мы не должны ставить галоидных перовскитов в той же среде применение традиционных ковалентных полупроводников, как кремний. Мы должны понимать, что этот класс материалов имеет собственных структурных свойств, которые делают его готовым для перенастройки. Мы должны использовать это».

Работа поддержана департаментом США базовой программы Energy энергетический наук. Другие соавторы статьи Цяо Гонконг, Дилан Лу, Minliang лай, Ли На июня Канг, Женни Лин и Лин-цюань и Ван Ван Цзяньбо Джин из Калифорнийского университета в Беркли; лаборатории Беркли; и Майкл Тони в ускорителе SLAC. Чэнь в настоящее время в Южный университет науки и технологий в Шэньчжэнь, Китай; Лин в Шанхайский университет электроэнергии; и Joohoon Кан в университет Сонгюнгван в Сеуле, Южная Корея.

сделать разницу: спонсорские возможности