By Akshatha Chandrashekar | Reviewed by Frances Briggs | 2025. október 21.
Bevezetés: A perovszkitok és a LED-technológia jövője
A perovszkit anyagok az optoelektronikai eszközök egyik legígéretesebb alapanyagai, köszönhetően hangolható tulajdonságaiknak és természetes hibatűrésüknek. Ezek az anyagok lehetővé teszik a fénykibocsátó diódák (LED-ek) fejlesztését, amelyek élénkebb színeket és hosszabb élettartamot kínálnak, így hozzájárulva például a készülékek akkumulátorának hosszabb üzemidejéhez és a kijelzők élénkebb megjelenítéséhez.
Azonban a hagyományos oldat-alapú feldolgozási módszerek gyakran vezetnek szennyeződésekhez és szerkezeti hibákhoz, amelyek korlátozzák az eszközök teljesítményét és tartósságát. E kihívások leküzdésére egy kutatócsoport új, lézeralapú filmkészítési eljárást fejlesztett ki, amely jelentősen javítja a cézium-ólom-bromid (CsPbBr3) vékonyrétegek minőségét.
A kettős lézeres vákuumos eljárás bemutatása
A kutatás eredményeit a Science and Technology of Advanced Materials folyóiratban tették közzé. Az új módszer egy olyan kettős lézeres vákuumos technika, amely egyesíti a pulzált lézeres leválasztást (PLD) és az infravörös molekuláris sugár epitaxiát (IR-MBE). Ez az innovatív megközelítés lehetővé teszi a film növekedésének és az interfészek precíz szabályozását egyetlen kamrán belül, miközben in situ hőmérséklet-szabályozást biztosít.
Ez a száraz, vákuumos eljárás kiküszöböli az oldat-alapú feldolgozásból eredő szennyeződéseket, így homogén, nagy tisztaságú és hibamentes vékonyrétegek előállítását teszi lehetővé.
A filmkészítés folyamata és optimalizálása
A kutatócsoport egy egységes kristályú CsPbBr3 célt használt, amelyet egy pulzált UV Nd:YAG lézerrel (266 nm hullámhossz, 10 Hz frekvencia) bombáztak ultra-magas vákuumban. Az anyagot szafir (α-Al2O3) aljzatra vitték fel. Egy folyamatos hullámú infravörös lézer biztosította az aljzat fűtését a lerakódás közben, ezzel kontrollált hőmérsékletet tartva fenn, amely minimalizálta a cézium elvesztését.
Több hőmérsékleten is növesztettek vékonyrétegeket, melyek közül a 200 °C bizonyult optimálisnak: ekkor értek el magas kristályosságot és kiegyensúlyozott stoichiometriát.
Kristályszerkezet és összetétel vizsgálata
- X-ray diffrakció: A 200 °C-on növesztett filmek éles csúcsokat és keskeny rocking curve szélességet mutattak, ami kiváló kristályszerkezetre utal.
- Elemanalízis: A Cs/Pb arány 0,9 körül alakult ebben a hőmérsékleti tartományban, ami közel áll az ideális összetételhez.
- Hőmérsékleti hatások: 200 °C fölött nőtt a cézium párolgása, ami hiányt és szerkezeti romlást okozott; 250 °C felett pedig már nem sikerült filmréteget növeszteni.
Optikai tulajdonságok és elektronikai jellemzők
Az optikai mérések szerint a vékonyrétegek közvetlen tiltott sávval rendelkeznek (2,36 eV), erős excitonikus abszorpciós jellemzővel 2,4 eV körül. A 200 °C-on növesztett filmek élénk zöld fényt bocsátanak ki 524 nm-en, fotolumineszcencia intenzitásuk pedig majdnem százszorosa volt az alacsonyabb hőmérsékleten készült rétegeknek.
Időfelbontásos fotolumineszcencia mérések alapján az exciton emissziós élettartam 7,2 nanosecundum volt. Időfelbontásos mikrohullámú vezetőképesség (TRMC) vizsgálatokkal pedig 16,5 mikrosecundumos töltéshordozó-élettartamot és 2,47 cm2/V·s effektív mobilitást mértek – ezek az értékek megegyeznek a tömb egységkristályokkal.
LED-eszközökbe integrálás és teljesítmény
A kiváló minőségű CsPbBr3 vékonyrétegeket multilayer LED-eszközökbe építették be. Az eszköz rétegei: ITO (indium-ón-oxid), Mg0.3Zn0.7O, CsPbBr3 vékonyréteg, α-NPD (organikus hole transport réteg), MoOx és arany elektróda.
A kész LED élénk zöld elektrolumineszcenciát adott ki keskeny spektrális szélességgel (16,5 nm), bekapcsolási feszültsége pedig körülbelül 2,3 volt volt – ez összhangban állt a mért tiltott sáv értékével.
Fázisösszetétel és tisztaság
Bár kis mennyiségben kimutatták a Cs4PbBr6 fázist – amely erős lumineszcenciájáról ismert –, az emissziós viselkedés túlnyomórészt a CsPbBr3 réteghez volt köthető. A pulzált lézeres leválasztás hatékonyan gátolta a nem kívánt CsPb2Br5 fázis kialakulását, amely csökkentheti az optikai teljesítményt.
A kettős lézeres rendszer előnyei és jövőbeli kilátások
A kettős lézeres technológia egyik legnagyobb előnye az inorganikus és organikus rétegek precíz növesztése ugyanabban a vákuumkamrában. Ez jelentősen csökkenti a szennyeződési kockázatokat és biztosítja a tiszta interfészeket – kulcsfontosságú tényezők az eszközök töltésinjektálásának javításában, recombinációs veszteségek csökkentésében és általános stabilitásuk növelésében.
A tanulmány bizonyítja, hogy a kettős lézer abláció egy rendkívül szabályozható gyártási módszer perovszkit alapú optoelektronikai eszközökhöz. Megoldja az eddig fennálló problémákat a filmegyenletességben, szennyeződés-ellenőrzésben és szerkezeti koherenciában.
A kutatók javasolják további vizsgálatok elvégzését az eszközök élettartamának növelése érdekében, valamint heterointerfész mérnöki megoldások kidolgozását és új anyagokkal való integrációt annak érdekében, hogy ez a technológia ne csak LED-ekben kapjon szerepet.
Összegzés
Az új kettős lézeres vákuumos filmkészítési technika áttörést jelenthet a perovszkit alapú LED-ek fejlesztésében. A hibamentes CsPbBr3 vékonyrétegek előállítása révén élénkebb fényű és hosszabb élettartamú világító eszközök készíthetők – ez pedig számos elektronikai alkalmazásban hozhat jelentős előrelépést.
Források
Kumagai, R., et al. (2025). Laser ablation process of CsPbBr3 heterostructures for light-emitting diode applications. Science and Technology of Advanced Materials. DOI:
10.1080/14686996.2025.2554045
A cikkben kifejtett nézetek kizárólag a szerző magánvéleményét tükrözik, nem feltétlenül egyeznek meg az AZoM.com Limited T/A AZoNetwork hivatalos álláspontjával.