Дослідники розробляють надвисокоефективні перовскітні світлодіоди

Інженерний коледж Сеульського національного університету оголосив про те, що дослідницька група під керівництвом професора Тає-Ву Лі (Tae-Woo Lee) з факультету матеріалознавства та інженерії Сеульського національного університету у співпраці з професором Ендрю М. Раппе (Andrew M. Rappe) з Пенсільванського університету розробила надвисокоефективні перовскітні нанокристалічні світловипромінювальні діоди.

Світлодіоди були розроблені шляхом зміцнення решітки перовскита і придушення властивої цьому матеріалу низькочастотної динаміки. Перовскітні світловипромінювачі привернули до себе увагу як перспективні випромінювачі нового покоління завдяки своїй чудовій чистоті кольору, можливості налаштування та економічності.

Однак до 2014 року перовськіти використовували переважно в сонячних батареях, оскільки їхня люмінесценція була недостатньо яскравою, щоб бути видимою за кімнатної температури. Попри це обмеження, професор Тає-Ву Лі усвідомив потенціал перовскіта як випромінювача нового покоління і у 2014 році отримав портфель фундаментальних патентів на перовскітові світловипромінювальні матеріали. Крім того, у 2015 році його команда опублікувала першу наукову роботу, яка демонструє підвищення ефективності перовскітних світлодіодів з усього 0,1% до 8,53%, що можна порівняти з рівнем фосфоресціювальних OLED. Це надихнуло вчених усього світу на інтенсивні та глибокі дослідження з підвищення ефективності перовскітних випромінювачів.

Як лідер у цій галузі, команда професора Лі 2022 року вдосконалила перовскітні самовипромінювальні пристрої, досягнувши зовнішньої квантової ефективності (EQE) 28,9% (майже теоретично досяжний максимум), пікової яскравості 470000 ніт та терміну служби до 30000 годин. Рухаючись у напрямку комерціалізації, стартап професора Лі, SN Display, продемонструвала прототипи дисплеїв для телевізорів і планшетів на виставці CES у 2022 і 2023 роках.

Однак дослідницька група усвідомила необхідність розв'язання ключової проблеми - зниження ефективності люмінесценції через притаманну перовскіту іонну природу. На відміну від традиційних неорганічних напівпровідників, перовскітові матеріали складаються зі слабких іонних зв'язків, і великі зсуви атомів у їхніх кристалічних решітках можуть спричиняти динамічний безлад. Він заважає процесу випромінювальної рекомбінації в перовскітових матеріалах, що призводить до дисоціації екситонів і зниження ефективності люмінесценції. Попри необхідність подолання цього критичного обмеження, досліджень того, як динамічний безлад впливає на люмінесцентні властивості перовскітів, а також стратегій підвищення ефективності за рахунок зниження динамічного безладу, було мало.

У співпраці з професором Ендрю М. Раппе з Пенсільванського університету та професором Омером Яффе (Omer Yaffe) з Наукового інституту Вейцмана (Ізраїль) команда професора Лі запропонувала новий механізм, що підвищує ефективність люмінесценції перовскітних випромінювачів завдяки включенню в них сполучених молекулярних мультиподів (СММ).

Механізм полягає в тому, що коли СММ зв'язуються з поверхнею решітки перовскита, вона зміцнюється, пригнічуючи низькочастотну динаміку і зменшуючи динамічний безлад у решітці перовскита. У підсумку це призвело до підвищення ефективності люмінесценції.

Особливо примітним досягненням є створення надвисокоефективних світлодіодів з EQE 26,1%. Це значення є одним із найвищих серед перовскітних нанокристалічних світлодіодів і є особливо значущим тому, що підвищення ефективності було досягнуто завдяки збільшенню внутрішньої емісійної ефективності самого матеріалу, а не завдяки розробці структури пристрою, що підвищує ефективність відведення світла.

Перовскітні випромінювачі, розроблені командою професора Лі, визнані перспективними як випромінювачі для дисплеїв нового покоління. Оскільки зелений колір становить більшу частину колірного стандарту Rec. 2020 для дисплеїв надвисокої чіткості, досягнення високої чистоти кольору і високої ефективності зелених емітерів має велике значення для розробки дисплеїв. Світлодіоди, розроблені дослідницькою групою, демонструють довжину хвилі електролюмінесценції, яка майже наближається до зеленого основного кольору стандарту Rec. 2020. Очікується, що це досягнення значно прискорить комерціалізацію дисплеїв нового покоління.

Професор Лі заявив: «Це дослідження являє собою новий підхід на основі матеріалів до подолання внутрішніх обмежень перовскітних світловипромінювачів. Ми очікуємо, що це зробить значний внесок у розробку високоефективних перовскітних світловипромінювальних пристроїв із тривалим терміном служби та комерціалізацію дисплеїв наступного покоління».

Професор Ендрю М. Раппе погодився з цією думкою: «Разом ми продемонстрували силу молекул у зміцненні перовскітів і перетворенні їх на найкращі світловипромінювачі. Об'єднуючи можливості молекулярної хімії, фізики, механіки та оптики, ми винаходимо нові матеріали, що приведуть нас у світле та енергоефективне майбутнє».