Учёные создали экологичные сверхъяркие синие светодиоды на основе гибридного материала

Гибридные кристаллы йодида меди, излучающие глубокий синий свет, разрабатываются учёными в лаборатории Университета Рутгерса. Автор: Кун Чжу / Лаборатория Цзин Ли / Университет Рутгерса

Команда учёных под руководством исследователей из Университета Рутгерса разработала экологически чистый, очень стабильный и сверхъяркий материал, который использовали для создания глубокого синего света (излучение на длине волны ~450 нм) в светодиоде (LED) — энергоэффективном устройстве, лежащем в основе всех современных систем освещения.

Новые гибридные материалы на основе йодида меди, по мнению учёных, могут способствовать развитию технологий синих светодиодов благодаря своим превосходным характеристикам.

Процесс создания материала описан в журнале Nature.

«Глубокие синие светодиоды — это сердце современных энергоэффективных технологий освещения», — говорит Цзин Ли, выдающийся профессор химии и химической биологии в Школе искусств и наук, возглавляющий исследование. «Однако существующие варианты часто имеют проблемы со стабильностью, масштабируемостью, стоимостью, эффективностью или экологичностью из-за использования токсичных компонентов. Этот новый гибридный материал на основе йодида меди предлагает убедительное решение, сочетая нетоксичность, прочность и высокую производительность».

Светодиоды — это осветительные устройства, использующие специальные материалы (полупроводники) для преобразования электричества в свет с высокой эффективностью и долговечностью. Синие светодиоды были открыты в начале 1990-х годов, и их создатели получили Нобелевскую премию по физике в 2014 году.

Синие светодиоды особенно важны, так как они используются для создания белого света и необходимы для общего освещения.

Цзин Ли и её коллеги из Университета Рутгерса сотрудничали с учёными из Брукхейвенской национальной лаборатории и четырьмя другими исследовательскими группами, представляющими национальные и международные институты, чтобы разработать новые материалы, улучшающие существующие синие светодиоды.

Исследователи обнаружили способ сделать синие светодиоды более эффективными и устойчивыми, используя новый тип гибридного материала — комбинацию йодида меди с органическими молекулами.

«Мы хотели создать новый вид материалов, которые дают очень яркий глубокий синий свет, и использовать их для производства светодиодов по более низкой стоимости, чем существующие», — пояснила Цзин Ли.

Новый гибридный полупроводник на основе йодида меди имеет ряд преимуществ перед другими материалами, используемыми в светодиодах. Например, перовскиты на основе свинца хоть и дешёвые, но содержат токсичный свинец и имеют проблемы со стабильностью из-за чувствительности к влаге и кислороду.

Органические светодиоды (OLED) гибкие и потенциально эффективные, но могут терять структурную и спектральную стабильность, быстро деградируя и ухудшая качество цвета со временем. Коллоидные квантовые точки хорошо работают в основном в зелёных и низкоэнергетических светодиодах и часто содержат кадмий, что также вызывает токсикологические опасения. Фосфоресцентные органические излучатели могут быть дорогими и сложными в синтезе.

«Новый материал предлагает экологичную и стабильную альтернативу существующим решениям, устраняя некоторые из этих проблем и потенциально продвигая технологию светодиодов», — отметила Цзин Ли.

Гибридный материал йодида меди обладает выдающимися характеристиками, включая очень высокий квантовый выход фотолюминесценции около 99,6%, что означает почти полное преобразование фотоэнергии в синий свет.

Светодиоды на основе этого материала достигли максимальной внешней квантовой эффективности (отношение числа испускаемых фотонов к числу впрыскиваемых электронов) в 12,6%, что является одним из самых высоких показателей для глубоких синих светодиодов, изготовленных методом растворной обработки.

Эти светодиоды не только яркие, но и долговечные. В нормальных условиях их период полураспада составляет около 204 часов, то есть они могут работать продолжительное время до начала снижения яркости.

Кроме того, материал хорошо масштабируется. Исследователи успешно создали более крупное устройство, сохраняющее высокую эффективность, что демонстрирует потенциал материала для реальных применений.

Секрет впечатляющей производительности материала кроется в инновационной технологии, разработанной учёными, — двойной пассивации водородными связями на границах раздела. Этот производственный метод увеличивает производительность светодиодов в четыре раза.

«Наш метод обработки минимизирует дефекты, которые могут препятствовать движению электрических зарядов на границе этих гибридных материалов», — объяснил Кун Чжу, бывший аспирант и постдок Университета Рутгерса, ныне работающий в Институте Макса Планка в Германии и первый автор статьи. «Этот подход может стать универсальной стратегией для создания высокопроизводительных светодиодов».

Если представить светодиод как сэндвич с разными слоями, каждый слой выполняет определённую функцию, например, излучает свет или транспортирует электроны и дырки. Иногда излучающий слой не идеально взаимодействует с соседними слоями, что может снизить эффективность или сократить срок службы. Новая технология устраняет эти проблемы, создавая водородные связи между слоями для лучшего соединения.

«В целом, этот новый материал прокладывает путь к созданию лучших, более ярких и долговечных светодиодов», — заключила Цзин Ли.

Дополнительная информация: Цзин Ли и др., Dual interfacial H-bonding-enhanced deep-blue hybrid copper–iodide LEDs, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09257-8. www.nature.com/articles/s41586-025-09257-8

Источник: Университет Рутгерса