Algunos LED creados a partir de la perovskita, una clase de material optoelectrónico, emiten luz en un amplio rango de longitudes de onda. Los científicos de la Universidad de Groningen han demostrado ahora que en el algunos casos, la explicación de por qué sucede esto es incorrecta. Su nueva explicación puede ayudar al desarrollo de LEDS se perovskita capaces de emitir luz blanca de amplio rango. 

Las perovskitas de baja dimensión (2D o 1D) emite luz en un rango espectral estrecho, y por lo tanto, se utilizan para fabricar LEDs que tienen una superior pureza de color. Sin embargo, en algunos casos, se ha observado un amplio espectro de emisión a niveles de energía inferiores. Este proceso ha suscitado gran interés, ya que podría utilizarse para producir LEDs de luz blanca con mayor facilidad que los procesos actuales. Esta nueva investigación se ha encargado de investigar este fenómeno y aportar una explicación de porqué sucede esto. 

Confinamiento cuántico

Las perovskitas son un grupo de materiales versátiles que dispone una estructura cristalina muy distintiva, conocida como la estructura perovskita. En una célula de unidad cúbica idealizada, los aniones forman un octaedro alrededor de un catión central mientras que las esquinas del cubo están ocupadas por otros cationes más grandes. Se pueden utilizar diferentes iones para crear diferentes perovskitas.

En las perovskitas híbridas, los cationes son moléculas orgánicas de diferentes tamaños. Cuando el tamaño excede una cierta dimensión, la estructura se convierte en bidimensional o en capas. El confinamiento cuántico resultante tiene grandes consecuencias para las propiedades físicas de los materiales y, en particular, para las propiedades ópticas.

Emisiones

“Hay mucha literatura científica donde, además de la estrecha emisión de estos sistemas de baja dimensión, hay una emisión de amplio espectro de baja energía. Y se piensa que esto es una propiedad intrínseca del material”, explica María Loi, Profesora de Fotofísica y Optoelectrónica en la Universidad de Groningen. 

Una explicación que se ha propuesto para explicar el fenómeno es que las vibraciones de los átomos del octaedro pueden ‘atrapar’ un estado excitado en un excitón auto-atrapado, o un estado excitado auto-atrapado, causando la fotoluminiscencia de amplio espectro, especialmente en estos sistemas bidimensionales y en los sistemas donde los octaedros están aislados unos de otros (de dimensión cero).

“Sin embargo, las observaciones realizadas en el laboratorio de Loi, parecen contradecir esta teoría”, explica Simon Kahmann, un investigador postdoctoral de su equipo. “Uno de nuestros estudiantes estudió los cristales individuales de una perovskita 2D basada en yodo de plomo y notó que algunos cristales emitían luz verde y otros emitían luz roja. Esto no es lo que se esperaría si la amplia emisión roja fuera una propiedad intrínseca de este material».

Color

El equipo de investigación propuso que los defectos en estas perovskitas podrían cambiar el color de la luz emitida. Por lo tanto, decidieron probar la interpretación principal con un experimento ad hoc. Loi: «En la explicación teórica aceptada, las excitaciones deben ser más grandes que el hueco de banda para producir una emisión amplia. El bandgap es la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción. 

Usando luz láser de diferentes colores, y por lo tanto de diferentes energías, estudiaron la emisión de los cristales. “Observamos que cuando usamos fotones por debajo de la energía del bandgap, la amplia emisión todavía ocurría. Esto no debería haber sucedido de acuerdo con la interpretación de la corriente principal”, asegura Loi. 

Consecuencias

Su explicación es que un estado de defecto con un nivel de energía dentro del bandgap está gobernando la emisión amplia y la gran variación de color de los cristales. “Creemos que es un defecto químico en el cristal, probablemente relacionado con el yoduro, que causa estados dentro del bandgap”, dice Kahmann. 

Así, estas emisiones amplias no serían  una propiedad intrínseca del material sino que son causadas por un efecto extrínseco. Kahmann: «En este punto, no podemos descartar totalmente que se trate de una peculiaridad de las perovskitas de yoduro de plomo, pero es probable que sea una propiedad general de las perovskitas de baja dimensión». 

Este hallazgo tiene profundas consecuencias, explica Loi: «Si queremos predecir nuevos y mejores compuestos que emitan ampliamente luz, necesitamos entender el origen de esta emisión. No debemos ser engañados por este camaleón”

El estudio fue publicado en la revista científica Nature Communications el 11 de mayo de 2020.

Créditos de imágenes: Loi Lab, Universidad de Gorningen