В ИТМО нашли способ, как создавать более долговечные синие перовскитные светодиоды для RGB-дисплеев телевизоров и смартфонов

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% 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, руководитель исследования и 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.

«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°C 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.

Исследование поддержано Российским научным фондом (грант №23-72-00031) и программой «Приоритет 2030».