یک تیم مشترک از دانشمندان مواد و شیمیدانان نظری، نانوذرات ترکیبی پروسکیت ساختند که دارای توان نشر نور بالایی بوده و برای این کار از یک راهبرد جامع سرکوب-نقص استفاده می‌کنند.
راهبردی برای طراحی مواد الکترولومینسانس با کارایی بالا
محققان در مقاله‌ای که در نشریه Nature Photonics به چاپ رساندند جزئیات چگونگی طراحی دسته‌ای از مواد الکترولومینس، اجزای اصلی دستگاه‌هایی مانند چراغ‌های LED و سلول‌های خورشیدی را تشریح کردند.
این کار نتیجه همکاری بین دانشگاه پنسیلوانیا، دانشگاه ملی سئول، موسسه پیشرفته علم و فناوری کره، Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne، دانشگاه تنسی، دانشگاه کمبریج، دانشگاه والنسیا، موسسه فناوری هاربین و دانشگاه آکسفورد است.
دو سال پیش، اندرو م. راپه، شیمی‌دان نظری دانشگاه پنسیلوانیا، از آزمایشگاه تاولی در دانشگاه ملی سئول بازدید کرد و بحث بر سر این موضوع آغاز شد که آیا آنها می‌توانند نظریه‌ای برای توضیح برخی از نتایج تجربی خود ارائه کنند. ماده‌ای که آنها مورد مطالعه قرار داده بودند، فرمامیدینیم برومید سرب، نوعی نانوبلور پروسکیت فلز-هالید (PNC) بود. به نظر می‌رسید نتایج جمع‌آوری شده توسط گروه لی نشان می‌دهد که LEDهای سبز ساخته شده با این ماده با کارایی بیشتری از حد انتظار کار می‌کنند.
راپه می‌گوید: «به محض دیدن اطلاعات آنها، من از همبستگی بین نتایج ساختاری، نوری و بهره‌وری نور شگفت‌زده شدم. باید اتفاق خاصی رخ داده باشد.»
نانوبلور پروسکیت فلز-هالیدی مانند فرمامیدینیم برومید سرب در دستگاه‌های فتوولتائیک مورد استفاده قرار می‌گیرند، جایی که می‌توانند انرژی را به‌عنوان برق ذخیره کرده یا جریان الکتریکی را به نور در دستگاه‌های نشر نور (LED) تبدیل کنند. در LEDها، الکترون‌ها از یک منطقه غنی از الکترون (نوع n) به یک سطح انرژی بالا در یک منطقه با کمبود الکترون (نوع p) منتقل می‌شوند، جایی که آنها یک حالت انرژی کم یا «حفره» پیدا می‌کنند به پایین بیفتد و نور ساطع کند. کارایی یک ماده با توجه به میزان توانایی تبدیل نور به الکتریسیته (یا بالعکس) تعیین می‌شود، این کارایی بستگی به این دارد که یک الکترون تحریک شده چقدر راحت می‌تواند یک حفره پیدا کند و چه مقدار از این انرژی در اثر حرارت از بین می‌رود.
برای درک نتایج گروه لی،آنها یک مدل محاسباتی از کارآیی غیرمنتظره این ماده را ارائه کردند و آزمایش‌های هدفمندی را برای تأیید این نظریه‌های جدید طراحی کردند. کاکخانی درباره فرایند تحقیق می‌گوید: «ما زمان زیادی را برای آزمایش و تئوریزه کردن نتایج به‌منظور منطقی کردن هر مشاهده آزمایشی صرف کردیم.»
پس از ماه‌ها مبادله ایده‌ها و محدود کردن نظریه‌های بالقوه، محققان با استفاده از روشی معروف به نظریه تابعی تراکم (DFT)، روشی مدل‌سازی که متکی به نظریه‌های ریاضی از مکانیک کوانتوم است، یک مدل نظری را ارائه کردند.
محققان با استفاده از مدل جدید خود دریافتند که PNCها هر قدر اندازه نقاط کوانتومی کوچکتر باشد، کارآیی بیشتری دارند، زیرا احتمال یافتن یک حفره توسط یک الکترون بسیار بیشتر است. اما از آنجا که کاهش اندازه ذره به معنای افزایش نسبت سطح به حجم آن است، این بدان معنی است که مکان‌های بیشتری در امتداد سطح ماده مستعد نقص هستند که در آن انرژی به راحتی از دست می‌رود.
محققان با استفاده از این نتایج،راهبردهای دیگری برای بهبود بهره‌وری یافتند، از جمله افزودن اسیدهای دارای زنجیره بلند و آمین‌ها برای تثبیت یون های سطحی و افزودن گروه‌های بهبود دهنده نقص‌های ساختاری.
