Extra slimme, snelle beeldschermen dankzij chirale Led

Led’s gebruiken elektrische stroom om zichtbaar licht te produceren zonder elektroluminescentie. Nu heeft een groep natuurkundigen en scheikundigen een nieuw type led ontwikkeld dat gebruikmaakt van spintronica zonder dat een magnetisch veld, magnetische materialen of cryogene temperaturen nodig zijn; een sprong die beeldschermen naar een hoger niveau kan tillen.

"De bedrijven die leds of tv- en computerschermen maken, willen zich niet bezighouden met magnetische velden en magnetische materialen", zegt Valy Vardeny, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de universiteit van Utah (VS). "Hier assembleren chirale moleculen zichzelf tot staande arrays, als soldaten, die de geïnjecteerde elektronen actief van spin voorzien, wat leidt tot circulair gepolariseerde lichtemissie. Zonder magnetisch veld, dure ferromagneten en zonder dat extreem lage temperaturen nodig zijn. Want dat zijn no-nos voor de industrie."

De meeste opto-elektronische apparaten regelen alleen de lading en het licht en niet de spin van de elektronen. Spintronische apparaten kunnen echter exponentieel meer informatie verwerken. Een belemmering voor commerciële spintronica is het instellen van de elektronenspin. Momenteel moet men een magnetisch veld produceren om de rotatierichting van het elektron te oriënteren. Onderzoekers van de University of Utah en het National Renewable Energy Laboratory (NREL) hebben technologie ontwikkeld die fungeert als een actief spinfilter gemaakt van twee lagen materiaal, chirale tweedimensionale metaalhalogenide-perovskieten genaamd. De eerste laag blokkeert elektronen die in de verkeerde richting draaien, een laag die de auteurs een chiraal geïnduceerd spinfilter noemen. Wanneer de resterende elektronen vervolgens door de tweede lichtemitterende perovskietlaag gaan, zorgen ze ervoor dat de laag fotonen produceert die tegelijk langs een spiraalvormig pad bewegen, in plaats van een conventioneel golfpatroon, om circulair gepolariseerde elektroluminescentie te produceren.

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Science.

Links- en rechtshandige moleculen

De wetenschappers maakten gebruik van een eigenschap genaamd chiraliteit die een bepaald type geometrie beschrijft. Mensenhanden zijn een klassiek voorbeeld; de rechter- en linkerhand zijn gerangschikt als spiegels van elkaar, maar ze zullen nooit perfect uitgelijnd zijn, ongeacht de oriëntatie. Bij sommige verbindingen, zoals DNA, suiker en chirale metaalhalogenide-perovskieten, zijn de atomen chiraal symmetrisch gerangschikt. Een ‘linkshandig’ georiënteerd chiraal systeem kan transport van elektronen met ‘opwaartse’ spins mogelijk maken, maar elektronen blokkeren met ‘neerwaartse’ spins, en vice versa.

"Als je elektronen door deze verbindingen probeert te transporteren, wordt de elektronenspin uitgelijnd met de chiraliteit van het materiaal", zei Vardeny. Er bestaan ​​nog andere spinfilters, maar ze hebben ofwel een soort magnetisch veld nodig, of ze kunnen alleen elektronen in een klein gebied manipuleren. "Het mooie van het perovskietmateriaal dat we hebben gebruikt, is dat het tweedimensionaal is – je kunt veel vlakken van 1 cm2 maken die een miljoen van een miljard (1015) staande moleculen bevatten met dezelfde chiraliteit."

Metaalhalogenide-perovskiet-halfgeleiders worden tegenwoordig vooral gebruikt voor zonnecellen, omdat ze zeer efficiënt zonlicht omzetten in elektriciteit. Aangezien een zonnecel een van de meest veeleisende toepassingen is van welke halfgeleider dan ook, ontdekken wetenschappers dat er ook andere toepassingen bestaan, waaronder spin-Leds.

"We onderzoeken de fundamentele eigenschappen van metaalhalogenide perovskieten, waardoor we nieuwe toepassingen hebben ontdekt die verder gaan dan fotovoltaïsche zonne-energie", zegt co-auteur Joseph Luther. "Omdat metaalhalogenide-perovskieten en andere verwante organische metaalhalogenide-hybriden enkele van de meest fascinerende halfgeleiders zijn, vertonen ze een groot aantal nieuwe verschijnselen die kunnen worden gebruikt bij het omzetten van energie."

Hoewel metaalhalogenide-perovskieten als eerste bewijzen dat chiraal-hybride apparaten haalbaar zijn, zijn ze niet de enige kandidaten voor spin-Leds. De algemene formule voor het actieve spinfilter is een laag van een organisch, chiraal materiaal, een andere laag van een anorganisch metaalhalogenide, zoals loodjodium, een andere organische laag, een anorganische laag enzovoort.