據外媒報道，發光二極管(LED)是照明行業的無名英雄。它們運行效率高，散發的熱量少，持續時間長。現在，科學家們正在研究一種新材料以使LED在消費電子、醫藥和安全領域的應用變得更有效且壽命更長。
來自美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室、布魯克海文國家實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室和SLAC國家加速器實驗室的研究人員報告稱，他們已經為此類LED製備了穩定的鈣鈦礦納米晶體。來自中國台灣地區的研究院也在這項研究中做出了貢獻。
鈣鈦礦是一類具有特殊晶體結構的材料，具有吸光和發光的特性，在一系列節能應用中非常有用，包括太陽能電池和各種探測器。
雖然鈣鈦礦納米晶體是一種新型LED材料的主要候選材料，但在測試中證明其不穩定。研究小組將納米晶體穩定在多孔結構中，這種多孔結構被稱為金屬有機框架，簡稱MOF。基於地球上豐富的材料並在室溫下製造，這些LED有朝一日可能會使成本更低的電視和消費電子產品以及更好的伽馬射線成像設備，甚至是用於醫學、安全掃描和科學研究的自供電X射線探測器。
“我們通過將鈣鈦礦材料封裝在MOF結構中來解決其穩定性問題，”DOE用戶設施辦公室Argonne的奈米材料中心(CNM)的科學家Xuedan Ma說道，“我們的研究表明，這種方法使我們能大幅提高發光納米晶體的亮度和穩定性。”
美國洛斯阿拉莫斯大學前J. R. Oppenheimer博士后Hsinhan Tsai補充稱：“在MOF中結合鈣鈦礦納米晶體的有趣概念已經以粉末形式被證明，但這是我們首次成功地將其集成為LED的發射層。”
之前試圖製造納米晶體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勢並削弱了它們作為實用LED的潛力。大塊物質由數十億個原子組成。像鈣鈦礦這樣的材料在納米階段是由幾個到幾千個原子組成的，因此表現不同。
在他們的新方法中，研究小組通過在MOF的矩陣中製造納米晶體來穩定納米晶體，就像網球被鐵絲網夾住一樣。他們使用框架中的鉛節點作為金屬前體，鹵化物鹽作為有機材料。鹵化物鹽的溶液中含有甲基溴化銨，它跟框架中的鉛反應並在基體中的鉛核周圍組裝納米晶體。由於基質會使納米晶體保持分離，所以它們不會相互作用和降解。這種方法是基於一種解決方案塗層的方法，比目前廣泛使用的用於製造無機LED的真空處理要便宜得多。
MOF穩定的LED可以製造出明亮的紅色、藍色和綠色光以及每種光的不同色調。
洛斯阿拉莫斯國家實驗室綜合納米技術中心的科學家Wanyi Nie說道：“在這項工作中，我們首次證明了在MOF中穩定的鈣鈦礦納米晶體將創造出各種顏色的明亮、穩定的LED。我們可以創造不同的顏色、提高顏色純度並提高光致發光量子產量，這是一種衡量材料發光能力的指標。”
該研究小組使用先進光子源(APS)–DOE位於阿貢的科學用戶設施辦公室–進行時間分辨X射線吸收光譜分析，這項技術使他們能發現鈣鈦礦材料隨時間的變化。研究人員能跟蹤電荷在材料中移動的過程並了解光發射時發生的重要信息。
“我們只能通過APS強大的單個X射線脈衝和獨特的時間結構來實現這一點，”阿貢X射線科學部的小組負責人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。”
在耐久性測試中，該材料在紫外線輻射、熱和電場下表現良好且不會降解並失去其光探測和發光效率，這是電視和輻射探測器等實際應用的關鍵條件。