Ontdekking leidt tot perovskiet-Leds die licht met een brede golflengteband uitstralen

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications.

Laag dimensionale perovskiet-kristallen (1D of 2D) zenden doorgaans licht uit met een beperkt spectrum. Je kunt er daarom Leds van maken van één specifieke kleur. Maar in sommige gevallen produceren ze licht met een breed spectrum, dat onder het energieniveau van het beperkte spectrum ligt. Dit is interessant, want het is te gebruiken om op een eenvoudige en goedkope manier wit licht Leds te maken. Om dat soort Leds gericht te ontwerpen is het wel nodig om precies te begrijpen waarom sommige perovskieten breed spectrum licht uitzenden en andere juist een smal spectrum.

Kwantumopsluiting

Perovskieten zijn veelzijdige materialen met een heel specifieke kristalstructuur. Deze perovskietstructuur bestaat uit een kubusvormige cel waarin anionen een octaëder vromen rond een centraal kation, terwijl de hoeken van de kubus bezet zijn door andere, grotere kationen.

In hybride perovskieten zijn de kationen organische moleculen die verschillende groottes kunnen hebben. Boven een bepaalde grootte zorgen ze ervoor dat er een tweedimensionale, gelaagde structuur ontstaat. Dat veroorzaakt kwantumopsluiting die gevolgen heeft voor de natuurkundige eigenschappen van het materiaal, in het bijzonder voor de optische eigenschappen.

Emissie

"Er zijn veel artikelen geschreven over perovskieten die, naast de smal spectrum emissie een breed spectrum emissie vertonen. Dat zou komen door een intrinsieke eigenschap van het materiaal", vertelt Maria Loi, hoogleraar Fotofysica en Opto-elektronica aan de RUG. Het idee is dat trillingen in de atomen die het octaëder vormen een ‘val’ vormen voor aangeslagen toestanden (excitonen), iets dat een self-trapped excition heet. Dit zou de breedspectrum fotoluminescentie veroorzaken, vooral in tweedimensionale materialen en in materialen waarin de octaëders van elkaar zijn geïsoleerd (0 dimensionaal).

Maar in het lab van Loi zijn waarnemingen gedaan die dit tegenspreken. Postdoc Simon Kahmann: "Een van de studenten bekeek losse kristallen van een op lood-jodide gebaseerd 2D perovskiet en zag naast kristallen die groen licht uitzonden ook kristallen die een breder spectrum van rood licht uitzonden. Dit is niet wat je verwacht als het breedspectrum licht een intrinsieke eigenschap is van het materiaal."

Kleur

Het onderzoeksteam vermoedde dat kleine onregelmatigheden in de perovskiet-kristallen de kleur van het uitgezonden licht kunnen veranderen. Daarom besloten ze de bestaande verklaren te testen met een experiment. Loi: "In de algemeen geaccepteerde theoretische verklaring zou de energie van de aangeslagen toestanden groter moeten zijn dan de zogeheten bandkloof van het materiaal om een breed spectrum emissie te krijgen." Die bandkloof is een eigenschap van halfgeleiders en bestaat uit het energieverschil tussen de hoogste valentieband en de laagste geleidingsband van de atomen.

De onderzoekers bestudeerden de kristallen door ze te beschijnen met laserlicht van verschillende kleuren, en dus met verschillende hoeveelheid energie. "Wat we zagen was dat met licht dat een energie had lager dan die van de bandkloof er toch breedspectrum emissie was", zegt Loi. "Dat zou niet moeten gebeuren volgens de geaccepteerde theorie."

Gevolgen

De verklaring van Loi en haar collega’s is dat de breedspectrum emissie wordt veroorzaakt door een defect met een energieniveau dat zich binnen de bandkloof bevindt. Dit zou de verschillen in kleur tussen kristallen van hetzelfde materiaal kunnen verklaren. "We denken dat er soms een chemische onzuiverheid in het kristal zit, mogelijk een ontbrekend jood-ion. Dat veroorzaakt die afwijking binnen de bandkloof", aldus Kahmann.

Het zou betekenen dat de breedspectrum emissie geen intrinsieke eigenschap is van het materiaal, maar juist ontstaat door onzuiverheden daarin. Kahmann: "We kunnen nog niet helemaal uitsluiten dat dit een rare eigenschap van lood-jodide perovskieten is, maar het lijkt erop dat het bij alle laag-dimensionale perovskieten kan gebeuren." Deze ontdekken heeft grote gevolgen. Loi: "Als we willen voorspellen hoe we nieuwe, betere materialen moeten ontwerpen die breedspectrum licht uitzenden moeten we begrijpen hoe dat licht ontstaat. We moeten ons dus niet laten foppen door deze kameleon-kristallen."