Галогенидные перовскиты — полупроводниковые материалы, способные проводить электрический ток и за счет этого излучать свет. Изменяя состав галогенов (химических элементов хлора, брома, иода) в перовскитах, можно точно настраивать цвет излучения во всем видимом диапазоне — например, сделать его зеленым, красным и синим. Это дает возможность создавать RGB-дисплеи для телевизоров и смартфонов, а также приборы вроде фитоламп. Благодаря свойствам перовскитов устройства на их основе обладают лучшей цветопередачей, энергоэффективностью и меньшей стоимостью производства по сравнению с аналогами.
Светодиоды, излучающие красный и зеленый цвета, уже достигли нужных для производства значений эффективности. Они работают несколько тысяч часов и за это время теряют не более 50 процентов интенсивности света. Светодиоды синего же цвета менее стабильны — через пару недель они начинают светиться зеленым.
«Зеленые и красные светодиоды изготавливают на основе гомогалогенидных перовскитов. Для получения синих нужно смешивать разные галогены, что усложняет создание нанокристаллов. Кроме того, под действием электрического поля в смешанно-галогенидном перовските происходит ионная сегрегация — разные ионы галогенов движутся в поле с разной скоростью и в итоге неоднородно распределяются в излучающем слое. Нарушение кристаллической структуры бром-хлорных нанокристаллов изменяет их оптические свойства — от этого синие светодиоды начинают излучать зеленый свет. Нам удалось подавить этот эффект и сделать излучение синего светодиода более стабильным во времени», — объясняет Анатолий Пушкарев, ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО.
Сотрудники физического факультета ИТМО совместно с учеными из Академического университета и Пекинского технологического института предложили новый способ получения синего излучения у перовскитных нанокристаллов. Вместо бром-хлорного состава для создания нанокристаллов они использовали чистый бромидный перовскит, а затем ввели туда ионы кадмия. Это позволило избавиться от образования дефектов в кристаллической решетке перовскитов, которые влияют на цвет излучения. Как показали эксперименты, бромидные нанокристаллы могут сохранять цвет более двух месяцев.
Рабочий образец перовскитного светодиода. Источник: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS
«Сначала мы синтезировали перовскитные нанокристаллы бромида свинца цезия на основе одного галогена. Такой материал излучал зеленый свет с длиной волны 517 нанометров. Чтобы уменьшить длину волны до 485 нанометров и тем самым изменить цвет на синий, мы использовали метод горячей инжекции — нагрели раствор перовскитных нанокристаллов до 150 градусов и добавили в него реакционное соединение кадмия. За час молекулы кадмиевого соединения прореагировали с поверхностью нанокристаллов, а ионы кадмия распространились с поверхности вглубь, при этом частично заместили собой ионы свинца», — отмечает Елизавета Сапожникова, инженер физического факультета ИТМО и одна из авторов исследования.Предложенный метод дает возможность создавать более долговечные синие перовскитные светодиоды произвольных размеров и форм — например в виде круга, квадрата или звезды, а также настраивать оттенок излучения с синего на голубой. В перспективе решение поможет в разработке более ярких и насыщенных цветных RGB-дисплеев, индикаторных панелей и приборов освещения, например гирлянд и фитосветильников для роста растений.
«Наш синий светодиод излучает 100-150 кандел на квадратный метр, что соответствует яркости экрана смартфона. Мы планируем и дальше повышать его яркость и время работы. Чтобы сделать это, нужно улучшить не только структуру излучающего перовскитного слоя, но и архитектуру всего устройства. Например, можно увеличить количество функциональных слоев, создать нанокристаллы со структурой типа “ядро-оболочка” или выполнить замещение ионов свинца ионами других элементов, например цинка», — рассказал Сергей Аношкин, младший научный сотрудник физического факультета ИТМО и первый автор исследования.
