布鲁克海文国家实验室的阿丽亚娜·曼格拉维蒂 显示发光二极管工作原理的图示，该发光二极管由排列在“钙钛矿”晶体结构中的半导体材料制成
当材料中的电子(e-)和空穴(h+)在外加电压下复合时，就会发出光粒子或光子
由洛斯阿拉莫斯国家实验室领导的一个团队与布鲁克海文和阿尔贡国家实验室合作，证明了通过调整覆盖钙钛矿晶体的大含碳化合物，可以提高复合发光的效率和发光亮度
学分:布鲁克海文国家实验室 当电子和“空穴”(电子空位)在外加电压的作用下重新结合时，发光二极管以光的形式释放能量
在过去的几年里，科学家们将注意力转向了基于混合有机(含碳)和无机材料的发光二极管，这些材料具有与矿物钙钛矿相同的晶体结构
与包括电视和手机屏幕在内的一些消费电子产品中的有机发光二极管不同，钙钛矿型发光二极管由廉价的富含稀土的材料制成，如铅、碘或溴等卤素以及带正电荷的有机离子
此外，钙钛矿可以在室温下在溶液中制备，不同于无机发光二极管材料所需的高温和真空条件
尤其是夹在大有机分子之间的二维钙钛矿，它们在钙钛矿晶格中起着间隔物的作用，不仅因为它们的低成本可制造性，还因为它们增强的光电特性，引起了人们的极大兴趣
二维层状钙钛矿的高色纯度、可调谐性和亮度使其成为下一代照明和显示的有前途的材料
此外，钙钛矿型发光二极管的外部量子效率——器件发出的光粒子数与通过器件的电子数之比——一直在迅速提高
现在，一个由美国领导的团队
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能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室与布鲁克海文和阿尔贡国家实验室合作，证明了有机间隔物的选择对发光二极管的性能有显著影响
通过使用原子排列成环而不是线性链的有机间隔物，科学家将器件效率提高了两个数量级(约12%)，亮度提高了70倍，亮度接近典型的绿色有机发光二极管
洛斯阿拉莫斯国家集成纳米技术中心(CINT)的科学家万依·聂解释说:“大的有机间隔物将三维钙钛矿晶格切割成二维层状结构，该结构由每层厚度不到十亿分之一米的石墨烯状原子层组成。”
在这种情况下，科学家们将基于二维溴化铅钙钛矿的发光二极管与烷基(线性)或苄基(环状)有机间隔物进行了比较
为了确保两种设备之间的公平比较，聂和蔡信汉
洛斯阿拉莫斯的罗伯特·奥本海默杰出博士后研究员——首次合成了高质量的材料，并在相同的工艺条件下制备了钙钛矿的高结晶薄膜
然后，他们通过电子显微镜和x光散射验证了薄膜的晶体结构和取向
接下来，研究小组在布鲁克海文功能纳米材料中心(CFN)和阿尔贡纳米材料中心(CNM)研究了薄膜的光发射(光致发光)特性
在CFN高级光学光谱学和显微镜设备中，软纳米材料和生物纳米材料组的工作人员科学家米尔恰·科莱特和研究助理李明性测量了用光脉冲激发后薄膜的光致发光衰减
紫外光照射下的薄膜照片显示，具有环状有机间隔物的钙钛矿(苄基钙钛矿，右)比具有线性有机间隔物的钙钛矿(烷基钙钛矿，左)发出更亮的光
右上角的蓝色圆形物体是表示玻璃基板上各个间隔物的标记
学分:布鲁克海文国家实验室 科特莱特解释说:“这种被称为时间分辨光学显微镜的技术让我们能够测量电子和空穴复合的速度，进而为我们提供关于电荷载流子寿命的信息。”
李说:“我们的测量表明，苄基钙钛矿中的光激发载流子的寿命是烷基钙钛矿的五倍。”
延长的载流子寿命增加了发光效率，导致苄基钙钛矿更亮的光发射
在CNM，工作人员科学家马雪丹应用高分辨率扫描激光显微镜绘制了薄膜光致发光的空间分布图
该图显示苄基钙钛矿薄膜具有更强、更均匀的发射强度
“我们观察到不同类型薄膜的发射强度和分布有相当大的差异，这可能归因于材料中不同的载流子动力学，”马说
为了将这些光物理特性与电子结构动力学联系起来，阿尔贡高级光子源的张小翼团队进行了时间分辨x光吸收光谱分析
“这种方法依靠独特的定时结构和APS强大的单个X射线脉冲来跟踪非常小的变化，这些变化发生得非常快，”张说
“时间分辨x光吸收技术本身对电荷变化高度敏感，因此它可以绝对告诉我们电荷在哪里，以及它如何在材料内部流动
" 显示分层发光二极管器件架构的示意图
电荷(电子和空穴)通过顶部电极和底部电极注入
在电极之间是电子传输层和空穴传输层(TPD)
如插图所示，器件中间的二维层状钙钛矿(RPLPs)由溴化铅(PbBr6)组成，由有机分子(MA)分隔，在内部稳定晶体
外部覆盖钙钛矿的大的有机间隔物(蓝色)或者是线性的或者是环形的
学分:布鲁克海文国家实验室 光谱显示仅苄基钙钛矿的溴化物位置上的电子结构发生了变化
蔡解释说:“溴化物位点上的空穴不会立即卡在电荷陷阱或材料中的电子缺陷中。”
“空穴可以等待电子出现，然后重新结合产生光，而不是浪费热量
这种现象与材料的二维晶体结构有关
刚性、大体积的苄基环影响钙钛矿的晶体堆积，从而改变电荷传输和复合过程
" 回到洛斯阿拉莫斯，聂和蔡将薄膜组装成发光二极管，并测量了器件的效率和亮度
在最后的演示中，他们对苄基钙钛矿型发光二极管进行了工作寿命测试
在高注入电流和环境条件下的连续操作下，该装置持续25分钟
“有机发光二极管可以持续10万小时，相比之下，25分钟似乎很短，”聂说
“但如果你考虑到钙钛矿才刚刚开始研究，而且它们往往对各种外部条件如湿度和外加电压很敏感，那么这是一个进步
这一进展使我们朝着更稳定的钙钛矿型发光二极管迈进了一步
" 在后续的研究中，该团队将确定将二维钙钛矿嵌入有机基质是否有助于防止降解
他们还将探索其他可以增强电荷复合效应的有机间隔物
蔡说:“由于其低成本的可制造性和理想的光电特性，二维钙钛矿不仅对发光二极管，而且对其他应用都是令人兴奋的。”
例如，这些发光材料可用于x光医学成像、光通信和激光发射
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