作者:埃里卡·克
宾夕法尼亚大学布罗克梅尔 一个由材料科学家和理论化学家组成的团队的合作研究展示了一类电致发光材料，如发光二极管灯和太阳能电池的关键部件，是如何设计成更有效地工作的
学分:宾夕法尼亚大学 新的研究详细说明了一类电致发光材料，如发光二极管灯和太阳能电池的关键部件，如何设计成更有效的工作
发表在《自然光子学》上，实验和理论研究者的共同努力提供了关于这些和其他类似材料如何在未来用于新应用的见解
这项工作是宾夕法尼亚大学、首尔国立大学、韩国高等科学技术学院、洛桑联邦理工学院、田纳西大学、剑桥大学、巴伦西亚大学、哈尔滨工业大学和牛津大学合作的结果
两年前，佩恩理论化学家安德鲁·M
拉普参观了首尔国立大学李泰愚的实验室，讨论很快转向他们是否能发展一种理论来帮助解释他们的一些实验结果
他们研究的材料是溴化铅，一种金属卤化物钙钛矿纳米晶体
李氏集团收集的结果似乎表明，用这种材料制成的绿色发光二极管比预期的工作效率更高
“我一看到他们的数据，就对结构、光学和光效率结果之间的相关性感到惊讶
拉普说:“必须要有特别的事情发生。”
像溴化甲亚胺铅这样的PNC被用于光伏器件，在那里它们可以储存电能或将电流转化为发光器件中的光
在发光二极管中，电子从富电子(n型)区被带到贫电子(p型)区的高能级，在那里它们找到一个空的低能态或“空穴”，下落并发光
一种材料的效率取决于它将光转化为电的能力(反之亦然)，这取决于一个受激发的电子能多容易找到一个洞，以及有多少能量损失在热量上
为了理解李氏研究小组的结果，宾夕法尼亚博士后李北·卡克哈尼开始与首尔国立大学的金永勋和金成金合作，开发这种材料意想不到的效率的计算模型，并设计有针对性的后续实验来证实这些新理论
“我们花了很多时间将实验和理论联系起来，使我们的每一个实验观察合理化，”卡克哈尼说
经过几个月的思想交流和缩小潜在理论的范围，研究人员使用密度泛函理论开发了一个理论模型，这是一种依赖于量子力学数学理论的建模方法
虽然密度泛函理论已经在该领域使用了很多年，但是这一理论的实现现在可以有效地结合小的、非定域的量子力学相互作用的影响，这就是众所周知的范德华力，它在类似于本研究中使用的PNC的软材料的行为中起着主要作用
使用他们的新模型，研究人员发现，如果量子点的尺寸更小，PNC就更有效，因为电子发现空穴的概率更大
但是因为减小粒子的尺寸也意味着增加它的表面积与体积之比，这也意味着沿着材料的表面有更多容易产生缺陷的地方，在那里来自电子的能量很容易丢失
为了应对这两个挑战，研究人员发现，一种简单的化学替代方法，用一种叫做胍盐的更大的有机阳离子代替甲酰胺盐，可以使粒子更小，同时通过允许更多氢键的形成来保持材料的结构完整性
基于这种合金化方法，研究人员发现了提高效率的其他策略，包括添加长链酸和胺来稳定表面离子，以及添加缺陷修复基团来“修复”任何可能形成的空位
作为一名理论化学家，卡克哈尼最突出的一点是模型的预测和实验数据吻合得有多好，他将这部分归因于使用了一个包含范德瓦尔斯力的理论
他说:“你不符合使理论特定于实验的参数。”
“这更像是第一原理，我们唯一知道的是材料中有什么类型的原子
事实上，我们根据几乎纯粹的数学运算和计算机中的量子力学理论预测出的结果，与我们的实验同事在他们的实验室中发现的非常接近，这令人兴奋
" 虽然目前的研究为有潜力广泛用作太阳能电池和发光二极管的材料提供了具体的策略，但这种策略也可以在材料科学领域更普遍地采用
“物联网的进步和光电计算的发展都需要高效的光源，这些新型钙钛矿型发光二极管可以引领潮流，”拉普说
对于卡克哈尼来说，这项工作也强调了详细的、理论驱动的见解对于全面理解复杂材料的重要性
“如果你从根本上不知道发生了什么以及潜在的原因是什么，那么它就不能真正扩展到其他材料，”卡卡哈尼说
“在这项研究中，长时间试图排除那些实际上不起作用的理论是有用的
最后，我们找到了一个非常深刻的原因，那就是自洽
花了很多时间，但我觉得值得
"
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