Bepaalde perovskieten blijken opmerkelijk efficiënt blauw licht te kunnen produceren, concluderen Canadese onderzoekers. Komt er eindelijk een alternatief voor het inefficiënte galliumnitride als bron van blauw licht in leds?
Blauw licht maken is moeilijk. Rode en groene leds werden al in de jaren vijftig en zestig ontwikkeld, maar blauwe verschenen pas twintig jaar later op het toneel. Dat komt doordat de III-V-materialen met de voor blauw licht benodigde grote bandovergang kristaltechnisch een nachtmerrie zijn. De Japanners Akasaki, Amano en Nakamura dokterden met engelengeduld opdamprecepten uit om galliumnitride neer te leggen in lagen van voldoende kwaliteit voor blauwe leds.
Dan nog is het resultaat pover, ook anno 2018. Zelfs galliumnitridefilms van de hoogste zuiverheid en met minimale defecten halen een luminescente quantumopbrengst van minder dan een procent. Andere III-V-halfgeleiders doen het niet beter en ook de alternatieven zijn niet zaligmakend. De beste kandidaten, anorganische blauwe fosforen, zijn vele malen efficiënter dan halfgeleiders, maar vereisen als isolatoren hoge spanningen. Bovendien spreiden ze hun licht uit over een relatief breed golflengtegebied.
Met perovskieten – een verzamelnaam voor verbindingen met een karakteristieke kristalstructuur – zijn behoorlijke efficiënties behaald voor rood en geel licht, maar niet voor blauw. Onderzoekers van de University of Toronto hebben nu uitgedokterd wat de randvoorwaarden zijn voor een goede ‘blauwe perovskiet’. De eerste stap naar betere blauwe leds is gezet.
Hoe stijver, hoe beter
De kracht van perovskieten, net als van organische materialen en quantumdots, is dat hun eigenschappen veel uitgebreider te tunen zijn dan die van halfgeleiders. Bij perovskieten gaat dat via de kristalstructuur, die enigszins vervormt door de aard en grootte van de gebruikte ionen. Verschillende ruimtelijke ordeningen leiden tot verschillende elektronische en optische eigenschappen.
De Canadezen kozen voor perovskieten met de algemene formule R2PbBr4, waarbij Pb staat voor lood, Br voor bromide en R voor een ammoniumderivaat. De R-groep was de joker in het experiment: daarvan maakten de onderzoekers varianten van verschillende samenstelling en groottes, om er vervolgens perovskietkristallen mee te produceren. En van die kristallen werden met plakband weer films van enkele atoomlagen dik afgepeld om metingen aan te verrichten.
De lichtemissie van deze 2d-perovskieten bleek sterk te verschillen. Sommige straalden een spectrum uit dat zo breed was dat het licht er bijna wit uitzag. Het andere uiterste was een perovskiet met zeer efficiënte (79 procent quantumopbrengst) en scherpe emissie van blauw licht.
Wat veroorzaakt dat verschil? Wat maakt het ene type kristal een goede en het andere een slechte producent van blauw licht? Volgens de Canadezen is de stijfheid van het kristal de crux. Hoe stijver het kristal, hoe meer licht eruit komt.
Dit op het eerste gezicht misschien onverwachte verband heeft te maken met interacties tussen elektronen en het kristalrooster. Of liever gezegd: de trillingen in het rooster (fononen). Hoe stijver het materiaal, hoe sterker deze trillingen worden onderdrukt, dus hoe zwakker de interactie tussen elektronen en fononen uitpakt. Dat nodigt elektron-gat-paren uit om te recombineren onder uitzending van licht, in plaats van hun energie niet-stralend aan het kristalrooster af te staan.
Toedeloe, galliumnitride?
Perovskieten blazen zodoende de hoop op even goede blauwe als rode of groene leds nieuw leven in. Op zichzelf is het nog een lange weg van met plakband afgepelde 2d-kristallen naar volwaardige en commercieel haalbare leds, waarvoor hoogstwaarschijnlijk dikkere en opgedampte lagen nodig zijn. Maar onderzoekers weten nu in elk geval waarnaar ze moeten zoeken: stijve kristallen met een voldoende grote bandovergang. Door eerst met moderne computationele methodes door de mogelijkheden te ploegen, kan de zoektocht naar de opvolger van galliumnitride zodoende flink worden ingekort.