ملخصات الأبحاث

تطوير صمامات LED فعَّالة من البيروفسكايت من خلال التحكم في التوزيع

.D. Ma et al

  • Published online:

تُحقق الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED)، القائمة على نقاط كمية من البيروفسكايت، كفاءات كمية خارجية تتخطى 23%، وانبعاثات ذات نطاق ترددي محدود، ولكن تشوبها بعض أوجه القصور؛ بالنظر إلى أن استقرارها يكون محدودًا عند التشغيل. ويُمكن أن تُظهِر مواد البيروفسكايت مُخفَّضة الأبعاد (التي تتكون من آبارٍ كمِّية، تفصلها عن بعضها كاتيونات عضوية) مستويات عالية من طاقة ربط الإكسيتون، ولديها القدرة على زيادة الاستقرار والعائدات الكَمِّية من التألق الضوئي (أي نسبة الفوتونات المنبعثة إلى الفوتونات الممتصة). ومع ذلك، فحتى الآن، لم تحقق صمامات LED القائمة على خلايا البيروفسكايت مخفَّضة الأبعاد سوى مستويات ضئيلة من الكفاءة الكمية الخارجية، ودرجة منخفضة من نقاء الألوان. ويفترض الباحثون أنَّ وجود آبار كمية محصورة بدرجةٍ متباينة ربما يُسهِم في فقد الطاقة أثناء عملية إعادة الاندماج غير الإشعاعي، وفي الانبعاثات ذات النطاق الترددي الموسَّع.

وفي هذا البحث المنشور، يتوصل الباحثون إلى خلايا بيروفسكايت ساطعة، ذات أبعاد مخفَّضة، تحتوي آبارًا كمية تمتاز بسُمكٍ موزَّع، على نحوٍ يجعلها أكثر تماثلًا في الحجم. وقد استطاع الباحثون تحقيق ذلك باستخدام مادة مضافة جزيئية ثنائية المجموعات الوظيفية، تتحكم في تعددية أحجام جسيمات خلايا البيروفسكايت مُخفَّضة الأبعاد، مع تخميل أسطح الآبار الكمية البيروفسكايتية في الوقت نفسه.

وقد تمكَّن الباحثون من تخليق هذه المادة المضافة، التي تتمثل في أكسيد ثلاثي فينيل الفوسفين المفلوَر، وتكوِّن روابط هيدروجينية مع الكاتيونات العضوية، متحكمةً بذلك في انتشار الكاتيونات أثناء ترسيب طبقة البيروفسكايت مخفَّضة الأبعاد، وكابحةً تكوُّن آبار كمية منخفضة السُمك. أما شطر المادة المضافة، المكوَّن من أكسيد الفوسفين، فيعمل على تخميل حدود البيروفسكايت الحبيبية عَبر تكوين روابط تسانُدية مع المواقع غير المُشبَّعة، ما يمنع تكوُّن العيوب. ونتيجةً لذلك، تتكون طبقات رقيقة من خلايا البيروفسكايت مُخفَّضة الأبعاد، التي تتسم بأنها مضغوطة وملساء وموحَّدة، وتمتاز بانبعاث ضيق النطاق الترددي، ومستويات عالية من عائدات التألق الضوئي الكمية.

من شأن ذلك أن يُتيح تطوير صمامات LED ذات كفاءة كمية خارجية مقدارها 25.6%، بمتوسط يبلغ 22.1 ± 1.2%، على نطاق 40 جهازًا، وتبلغ فترة عمر النصف لها عند التشغيل ساعتين عند شدة إضاءة أولية مقدارها 7200 شمعة لكل متر مربع. وإنْ دلَّ ذلك على شيء، فإنما يدلُّ على تحسُّن الاستقرار التشغيلي بمقدار عشرة أمثال، مُقارنةً بأشهر صمامات LED البيروفسكايتية التي تتجاوز كفاءتها الكمية الخارجية 20%. 

الشكل 1 | استراتيجية التحكم في التوزيع في أثناء عملية البلورة المُستحَثة بمضاد الإذابة، تتجمع نوي سداسي بروميد الرصاص 4-[PbBr6]، وكاتيونات السيزيوم، وميثيل الأمونيوم لتكوين رقائق البيروفسكايت، ما يسمح لكاتيونات فينيل إيثيل الأمونيوم العضوية بالانتشار، ودخول شبكة البيروفسكايت الممتدة، ومن ثَمَّ تشكيل خلايا بيروفسكايت مُخفَّضة الأبعاد. في حالة التحكم، يؤدي انتشار فينيل إيثيل الأمونيوم بسرعة إلى تعدد أحجام جسيمات الآبار الكمية، أمَّا في حالة البلورة التي يُضاف فيها أكسيد ثلاثي (رباعي فلورو فينيل) الفوسفين إلى مضاد الإذابة، ترتبط ذرات الفلور بفينيل إيثيل الأمونيوم عبر روابط هيدروجينية، ما يحد من انتشارها، ويُعزز تكوين خلايا بيروفسكايت مخفَّضة الأبعاد ذات آبار كمية متماثلة الحجم. وإضافة إلى ذلك، يعمل الجزء المكوَّن من أكسيد الفوسفين على تخميل حدود البيروفسكايت الحُبيبية.

الشكل 1 | استراتيجية التحكم في التوزيع في أثناء عملية البلورة المُستحَثة بمضاد الإذابة، تتجمع نوي سداسي بروميد الرصاص 4-[PbBr6]، وكاتيونات السيزيوم، وميثيل الأمونيوم لتكوين رقائق البيروفسكايت، ما يسمح لكاتيونات فينيل إيثيل الأمونيوم العضوية بالانتشار، ودخول شبكة البيروفسكايت الممتدة، ومن ثَمَّ تشكيل خلايا بيروفسكايت مُخفَّضة الأبعاد. في حالة التحكم، يؤدي انتشار فينيل إيثيل الأمونيوم بسرعة إلى تعدد أحجام جسيمات الآبار الكمية، أمَّا في حالة البلورة التي يُضاف فيها أكسيد ثلاثي (رباعي فلورو فينيل) الفوسفين إلى مضاد الإذابة، ترتبط ذرات الفلور بفينيل إيثيل الأمونيوم عبر روابط هيدروجينية، ما يحد من انتشارها، ويُعزز تكوين خلايا بيروفسكايت مخفَّضة الأبعاد ذات آبار كمية متماثلة الحجم. وإضافة إلى ذلك، يعمل الجزء المكوَّن من أكسيد الفوسفين على تخميل حدود البيروفسكايت الحُبيبية. 

كبر الصورة