研究人員利用MOF結(jié)構(gòu)穩(wěn)定鈣鈦礦納米晶體，進(jìn)而改善LED的性能

CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，近日，美國能源部 (DoE) 阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室、洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室、SLAC 國家加速器實(shí)驗(yàn)室和中國臺灣地區(qū)中央研究院的研究人員報告了一種LED用穩(wěn)定鈣鈦礦納米晶體的制作方法。

圖1. 利用嵌入金屬-有機(jī)框架中鈣鈦礦納米晶體（綠色）制成的發(fā)光二極管

據(jù)外媒報Perovskite-info報道，迄今為止，鈣鈦礦納米晶體的不穩(wěn)定性一直是這種材料用于LED發(fā)光器件等應(yīng)用的主要問題。不過最近，該研究小組成功將這種納米晶體穩(wěn)定在一種稱為金屬-有機(jī)框架或簡稱MOF的多孔結(jié)構(gòu)中?；谶@種結(jié)構(gòu)制作出的LED僅使用一些儲備極其豐富的材料和容易達(dá)成的室溫條件，在未來有希望用于低成本的電視和消費(fèi)電子產(chǎn)品，以及一些性能非常好的伽馬射線成像設(shè)備。

“我們通過將鈣鈦礦材料穩(wěn)定在MOF結(jié)構(gòu)中，徹底解決了傳統(tǒng)設(shè)計中這一類材料的穩(wěn)定性問題，”美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室納米材料中心 (CNM) 的科學(xué)家Xuedan Ma說道，“我們的研究表明，這種方法可以顯著提高這種發(fā)光納米晶體的亮度和穩(wěn)定性。”

洛斯阿拉莫斯大學(xué)前 JR Oppenheimer 博士后研究員 Hsinhan Tsai 補(bǔ)充說：“這之前，業(yè)界曾展示過基于將鈣鈦礦納米晶體固定在MOF結(jié)構(gòu)概念制作的粉末材料，不過這次，我們第一次成功將其集成為LED的發(fā)光層。”

之前所有制作納米晶體LED的嘗試都因納米晶體退化回不想看到的體相狀態(tài)而以失敗告終，也正是這一原因，納米晶體用于實(shí)用LED變得不可能。這種體相的大塊材料由數(shù)十億個原子組成，而處于納米相的鈣鈦礦等材料則僅由幾個到幾千個原子組成，因此其表現(xiàn)出非常大的不同。

在該研究小組提出的新方法中，他們在MOF矩陣結(jié)構(gòu)內(nèi)制造鈣鈦礦納米晶體以穩(wěn)定這種發(fā)光材料的發(fā)光性能，實(shí)際看起來好像納米晶體被“鐵絲網(wǎng)”裹住。他們使用框架中的鉛節(jié)點(diǎn)作為金屬前體，使用鹵化物鹽作為有機(jī)材料。這里鹵化物鹽溶液含有甲基溴化銨，它與骨架中的鉛反應(yīng)，并陣列內(nèi)的鉛核周圍組裝成納米晶體。這種陣列結(jié)構(gòu)可以讓納米晶體保持分離，因此它們不會相互作用和降解。這種方案使用溶液涂布的方法，成本上遠(yuǎn)低于當(dāng)前廣泛用于無機(jī)LED的真空處理方法。

“在這項工作中，我們首次證明了在MOF中制作穩(wěn)定的鈣鈦礦納米晶體，進(jìn)而形成穩(wěn)定LED的方案，”洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室集成納米技術(shù)中心的科學(xué)家Wanyi Nie說，“我們可以借助這種方案制作出不同顏色的LED，并提高顏色純度、增加光致發(fā)光量子產(chǎn)率，這些都是衡量鈣鈦礦材料發(fā)光性能的指標(biāo)。”

該研究團(tuán)隊使用位于阿貢的DoE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室的高級光子源 (APS)進(jìn)行時間分辨的X 射線吸收光譜測量，這種技術(shù)能夠讓他們了解鈣鈦礦材料隨時間的變化規(guī)律。據(jù)此，研究人員能夠在電荷穿過材料時跟蹤電荷，并了解發(fā)光時伴隨產(chǎn)生的重要信息。

“我們只能通過APS強(qiáng)大的單一X射線脈沖和獨(dú)特的計時結(jié)構(gòu)來做到這一點(diǎn)，”阿貢X射線科學(xué)部的組長Xiaoyi Zhang說道，“我們可以借助這種技術(shù)追蹤帶電粒子位于微小鈣鈦礦晶體內(nèi)的位置。” 在耐久性測試中，該材料在紫外線輻射、熱和電場下表現(xiàn)良好，發(fā)光效率沒有出現(xiàn)明顯降低，這是電視和輻射探測器等實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵要求。