การค้นพบวัสดุนาโนที่สำคัญสำหรับ LEDs
ไดโอดเปล่งแสง (LED) เป็นฮีโร่ที่ไม่มีใครพูดถึงในอุตสาหกรรมแสงสว่าง ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ให้ความร้อนเพียงเล็กน้อยและใช้งานได้ยาวนาน ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาวัสดุใหม่ในการผลิต LED ที่มีประสิทธิภาพและอายุยืนยาวขึ้นด้วยการใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ยารักษาโรค และความปลอดภัย
นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอาลามอส และห้องปฏิบัติการเร่งความเร็วแห่งชาติ SLAC รายงานว่าพวกเขาได้เตรียมนาโนคริสตัลเพอรอฟสกีต์ที่เสถียรสำหรับ LED ดังกล่าว การมีส่วนร่วมกับความพยายามคือ Academia Sinica ในไต้หวัน
Perovskites เป็นวัสดุประเภทหนึ่งที่มีโครงสร้างผลึกเฉพาะ ทำให้มีคุณสมบัติดูดซับแสงและเปล่งแสงซึ่งมีประโยชน์ในการใช้งานที่ประหยัดพลังงาน ซึ่งรวมถึงเซลล์แสงอาทิตย์และเครื่องตรวจจับประเภทต่างๆ
นาโนคริสตัลของ Perovskite เป็นตัวเลือกที่สำคัญในฐานะวัสดุ LED ใหม่ แต่ได้พิสูจน์แล้วว่าไม่เสถียรในการทดสอบ ทีมวิจัยทำให้นาโนคริสตัลมีเสถียรภาพในโครงสร้างที่มีรูพรุนที่เรียกว่ากรอบโลหะอินทรีย์หรือ MOF สั้น ๆ จากวัสดุที่มีอยู่มากมายบนโลกและประดิษฐ์ขึ้นที่อุณหภูมิห้อง วันหนึ่ง LED เหล่านี้อาจช่วยให้ทีวีและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคมีต้นทุนต่ำลง รวมทั้งอุปกรณ์ภาพรังสีแกมมาที่ดีขึ้นและแม้แต่เครื่องตรวจจับรังสีเอกซ์แบบใช้ไฟฟ้าในตัวด้วยการใช้งานในทางการแพทย์ การสแกนความปลอดภัย และการวิจัยทางวิทยาศาสตร์
“เราโจมตีปัญหาความเสถียรของวัสดุ perovskite โดยการห่อหุ้มไว้ในโครงสร้าง MOF” Xuedan Ma นักวิทยาศาสตร์จาก Argonne’s Center for Nanoscale Materials (CNM) ซึ่งเป็นสำนักงานผู้ใช้วิทยาศาสตร์ของ DOE กล่าว “การศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่าวิธีการนี้ช่วยให้เราเพิ่มความสว่างและความเสถียรของผลึกนาโนที่เปล่งแสงได้อย่างมาก”
Hsinhan Tsai อดีตเพื่อนร่วมงานของ JR Oppenheimer postdoc ที่ Los Alamos กล่าวเสริมว่า ? “แนวคิดที่น่าสนใจของการรวม perovskite nanocrystal ใน MOF ได้รับการแสดงให้เห็นในรูปแบบผง แต่นี่เป็นครั้งแรกที่เราประสบความสำเร็จในการรวมเป็นชั้นการปล่อยใน นำ.”
ความพยายามครั้งก่อนในการสร้าง LED nanocrystal ถูกขัดขวางโดย nanocrystals ที่ย่อยสลายกลับไปเป็นเฟสขนาดใหญ่ที่ไม่ต้องการ ทำให้สูญเสียข้อได้เปรียบของ nanocrystal และบ่อนทำลายศักยภาพของพวกเขาในฐานะ LED ที่ใช้งานได้จริง วัสดุจำนวนมากประกอบด้วยอะตอมหลายพันล้านอะตอม วัสดุอย่างเช่น เพอร์รอฟสกีต์ในเฟสนาโนนั้นประกอบด้วยกลุ่มอะตอมเพียงไม่กี่ถึงสองสามพันอะตอม ดังนั้นจึงมีพฤติกรรมแตกต่างกัน
ในแนวทางใหม่นี้ ทีมวิจัยได้ทำให้นาโนคริสตัลเสถียรโดยสร้างพวกมันขึ้นภายในเมทริกซ์ของกระทรวงการคลัง เช่นเดียวกับลูกเทนนิสที่ติดอยู่ในรั้วแบบโซ่เชื่อมโยง พวกเขาใช้โหนดตะกั่วในเฟรมเวิร์กเป็นสารตั้งต้นของโลหะและเกลือเฮไลด์เป็นวัสดุอินทรีย์ สารละลายของเกลือเฮไลด์ประกอบด้วยเมทิลแอมโมเนียมโบรไมด์ ซึ่งทำปฏิกิริยากับตะกั่วในเฟรมเวิร์กเพื่อประกอบผลึกนาโนรอบแกนตะกั่วที่ติดอยู่ในเมทริกซ์ เมทริกซ์ช่วยแยกนาโนคริสตัลออกจากกัน จึงไม่เกิดปฏิกิริยาและสลายตัว วิธีนี้ใช้วิธีการเคลือบสารละลาย ซึ่งมีราคาถูกกว่าการประมวลผลแบบสุญญากาศที่ใช้ในการสร้างหลอด LED แบบอนินทรีย์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน
ไฟ LED ที่มีความเสถียรของ MOF สามารถประดิษฐ์ขึ้นเพื่อสร้างแสงสีแดง สีน้ำเงิน และสีเขียว พร้อมกับเฉดสีที่แตกต่างกัน
“ในงานนี้ เราแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าผลึกนาโนของ perovskite ที่เสถียรในกระทรวงการคลังจะสร้างไฟ LED ที่สว่างและมีเสถียรภาพในช่วงสีต่างๆ” Wanyi Nie นักวิทยาศาสตร์จากศูนย์เทคโนโลยีนาโนแบบบูรณาการที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอาลามอสกล่าว “เราสามารถสร้างสีที่แตกต่างกัน ปรับปรุงความบริสุทธิ์ของสี และเพิ่มผลผลิตควอนตัมโฟโตลูมิเนสเซนซ์ ซึ่งเป็นตัววัดความสามารถของวัสดุในการผลิตแสง”
ทีมวิจัยได้ใช้ Advanced Photon Source (APS) ซึ่งเป็นสำนักงานผู้ใช้วิทยาศาสตร์ของ DOE ที่ Argonne เพื่อทำการวิเคราะห์สเปกโทรสโกปีการดูดกลืนรังสีเอกซ์ที่แก้ไขเวลา ซึ่งเป็นเทคนิคที่ช่วยให้พวกเขาสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงของวัสดุ perovskite เมื่อเวลาผ่านไป นักวิจัยสามารถติดตามประจุไฟฟ้าขณะเคลื่อนที่ผ่านวัสดุ และเรียนรู้ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อแสงถูกปล่อยออกมา
Xiaoyi Zhang หัวหน้ากลุ่มของแผนก X-ray Science ของ Argonne กล่าวว่า “เราทำได้เฉพาะกับพัลส์เอ็กซ์เรย์เดี่ยวอันทรงพลังและโครงสร้างเวลาที่เป็นเอกลักษณ์ของ APS “เราสามารถติดตามได้ว่าอนุภาคที่มีประจุอยู่ภายในผลึก perovskite ขนาดเล็กนั้นอยู่ที่ไหน”
ในการทดสอบความทนทาน วัสดุทำงานได้ดีภายใต้รังสีอัลตราไวโอเลต ในความร้อนและในสนามไฟฟ้าโดยไม่ทำให้เสื่อมคุณภาพและสูญเสียประสิทธิภาพในการตรวจจับแสงและการเปล่งแสง ซึ่งเป็นเงื่อนไขสำคัญสำหรับการใช้งานจริง เช่น ทีวีและเครื่องตรวจจับรังสี
ข้อมูลอ้างอิง: “ไดโอดเปล่งแสงที่สว่างและเสถียรซึ่งทำด้วยนาโนคริสตัลของ perovskite ที่เสถียรในกรอบโลหะอินทรีย์” โดย Hsinhan Tsai, Shreetu Shrestha, Rafael A. Vilá, Wenxiao Huang, Cunming Liu, Cheng-Hung Hou, Hsin-Hsiang Huang, Xiewen Wen , Mingxing Li, แกรี่ Wiederrecht ยี่ Cui, เมอร์เซี Cotlet, Xiaoyi จาง Xuedan Ma และ Wanyi Nie 6 กันยายน 2021 Nature Photonics
ขอบคุณข้อมูลภาพ – ข่าว : SciTechDaily
https://scitechdaily.com
About Author
