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據(jù)外媒報(bào)道，發(fā)光二極管(LED)是照明行業(yè)的無名英雄。它們運(yùn)行效率高，散發(fā)的熱量少，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。現(xiàn)在，科學(xué)家們正在研究一種新材料以使LED在消費(fèi)電子、醫(yī)藥和安全領(lǐng)域的應(yīng)用變得更有效且壽命更長(zhǎng)。
來自美國(guó)能源部(DOE)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員報(bào)告稱，他們已經(jīng)為此類LED制備了穩(wěn)定的鈣鈦礦納米晶體。來自中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的研究院也在這項(xiàng)研究中做出了貢獻(xiàn)。
鈣鈦礦是一類具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的材料，具有吸光和發(fā)光的特性，在一系列節(jié)能應(yīng)用中非常有用，包括太陽能電池和各種探測(cè)器。
雖然鈣鈦礦納米晶體是一種新型LED材料的主要候選材料，但在測(cè)試中證明其不穩(wěn)定。研究小組將納米晶體穩(wěn)定在多孔結(jié)構(gòu)中，這種多孔結(jié)構(gòu)被稱為金屬有機(jī)框架，簡(jiǎn)稱MOF?；诘厍蛏县S富的材料并在室溫下制造，這些LED有朝一日可能會(huì)使成本更低的電視和消費(fèi)電子產(chǎn)品以及更好的伽馬射線成像設(shè)備，甚至是用于醫(yī)學(xué)、安全掃描和科學(xué)研究的自供電X射線探測(cè)器。
“我們通過將鈣鈦礦材料封裝在MOF結(jié)構(gòu)中來解決其穩(wěn)定性問題，”DOE用戶設(shè)施辦公室Argonne的奈米材料中心(CNM)的科學(xué)家Xuedan Ma說道，“我們的研究表明，這種方法使我們能大幅提高發(fā)光納米晶體的亮度和穩(wěn)定性。”
美國(guó)洛斯阿拉莫斯大學(xué)前J. R. Oppenheimer博士后Hsinhan Tsai補(bǔ)充稱：“在MOF中結(jié)合鈣鈦礦納米晶體的有趣概念已經(jīng)以粉末形式被證明，但這是我們首次成功地將其集成為L(zhǎng)ED的發(fā)射層。”
之前試圖制造納米晶體LED的嘗試被納米晶體降解回不需要的體積相所阻礙，這使其失去了納米晶體的優(yōu)勢(shì)并削弱了它們作為實(shí)用LED的潛力。大塊物質(zhì)由數(shù)十億個(gè)原子組成。像鈣鈦礦這樣的材料在納米階段是由幾個(gè)到幾千個(gè)原子組成的，因此表現(xiàn)不同。
在他們的新方法中，研究小組通過在MOF的矩陣中制造納米晶體來穩(wěn)定納米晶體，就像網(wǎng)球被鐵絲網(wǎng)夾住一樣。他們使用框架中的鉛節(jié)點(diǎn)作為金屬前體，鹵化物鹽作為有機(jī)材料。鹵化物鹽的溶液中含有甲基溴化銨，它跟框架中的鉛反應(yīng)并在基體中的鉛核周圍組裝納米晶體。由于基質(zhì)會(huì)使納米晶體保持分離，所以它們不會(huì)相互作用和降解。這種方法是基于一種解決方案涂層的方法，比目前廣泛使用的用于制造無機(jī)LED的真空處理要便宜得多。
MOF穩(wěn)定的LED可以制造出明亮的紅色、藍(lán)色和綠色光以及每種光的不同色調(diào)。
洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室綜合納米技術(shù)中心的科學(xué)家Wanyi Nie說道：“在這項(xiàng)工作中，我們首次證明了在MOF中穩(wěn)定的鈣鈦礦納米晶體將創(chuàng)造出各種顏色的明亮、穩(wěn)定的LED。我們可以創(chuàng)造不同的顏色、提高顏色純度并提高光致發(fā)光量子產(chǎn)量，這是一種衡量材料發(fā)光能力的指標(biāo)。”
該研究小組使用先進(jìn)光子源(APS)--DOE位于阿貢的科學(xué)用戶設(shè)施辦公室--進(jìn)行時(shí)間分辨X射線吸收光譜分析，這項(xiàng)技術(shù)使他們能發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦材料隨時(shí)間的變化。研究人員能跟蹤電荷在材料中移動(dòng)的過程并了解光發(fā)射時(shí)發(fā)生的重要信息。
“我們只能通過APS強(qiáng)大的單個(gè)X射線脈沖和獨(dú)特的時(shí)間結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，”阿貢X射線科學(xué)部的小組負(fù)責(zé)人Xiaoyi Zhang說道，“我們可以追蹤帶電粒子在微小鈣鈦礦晶體中的位置。”
在耐久性測(cè)試中，該材料在紫外線輻射、熱和電場(chǎng)下表現(xiàn)良好且不會(huì)降解并失去其光探測(cè)和發(fā)光效率，這是電視和輻射探測(cè)器等實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵條件。
(原標(biāo)題：LED納米材料的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：低成本、節(jié)能的新光源)
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