Boosting Perovskite Light-Emitting Diodes Performance by Introducing High Work-function Metal Transition Layer
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि ITO एनोड और NiOx होल ट्रांसपोर्ट लेयर के बीच 2 nm गोल्ड जैसी एक पतली उच्च-कार्य-फलन (high-work-function) वाली धातु की परत डालने से होल इंजेक्शन में उल्लेखनीय वृद्धि होती है और संख्यात्मक सिमुलेशन द्वारा पुष्टि के अनुसार, यह ऑल-इनऑर्गेनिक पेरोव्स्काइट लाइट-एमिटिंग डायोड के ल्यूमिनेंस को 18 गुना से अधिक बढ़ा देता है।
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उन नन्हे, चमकते दीयों की दुनिया की कल्पना करें जो हमारी स्क्रीन को शक्ति देते हैं, आपकी जेब में रखे फोन से लेकर आपके लिविंग रूम में लगी विशाल टीवी तक। वर्षों से, वैज्ञानिक डिस्प्ले तकनीक के एक "पवित्र प्याले" (होली ग्रेल) की तलाश कर रहे हैं: ऐसी रोशनी जो अविश्वसनीय रूपamente चमकदार, बेहद रंगीन और बनाने में सस्ती हो। यहाँ पेरोवस्काइट लाइट-एमिटिंग डायोड्स (PeLEDs) का आगमन होता है। इन्हें नए, सुपर-टैलेंटेड बच्चों के रूप में समझें। वे इतने शुद्ध और तीखे रंग पैदा कर सकते हैं कि अन्य लाइटें उनके सामने धुंधली लगने लगती हैं, और उन्हें बनाना भी आसान है। लेकिन, कई प्रतिभाशाली बच्चों की तरह, उनकी भी एक बढ़ती हुई समस्या है: वे अक्सर बहुत जल्दी बुझ जाते हैं या पुराने दिग्गजों की तुलना में पर्याप्त चमकदार नहीं होते। उन्हें वास्तविक दुनिया के लिए उपयोगी बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को यह पता लगाना होगा कि उन्हें बिना अधिक खर्च किए और अधिक चमकदार और लंबे समय तक चलने वाला कैसे बनाया जाए। एक लाइट बल्ब के प्रदर्शन का रहस्य अक्सर इस बात में छिपा होता है कि बिजली उसके अंदर कितनी अच्छी तरह प्रवेश कर सकती है। यदि बिजली दरवाजे पर ही अटक जाती है, तो रोशनी मंद रहती है। यह शोध पत्र इन नई लाइटों के "दरवाजे" की गहराई से जांच करता है ताकि यह देखा जा सके कि क्या हम बिजली को अधिक आसानी से अंदर जाने का रास्ता दे सकते हैं।
इस अध्ययन के पीछे के शोधकर्ताओं ने PeLEDs में बिजली पहुँचाने की समस्या को हल करने का निर्णय लिया और उस सबसे पहली परत पर ध्यान केंद्रित किया जिससे बिजली टकराती है: एनोड, जो आमतौर पर इंडियम टिन ऑक्साइड (ITO) नामक एक पारदर्शी सामग्री से बना होता है। उन्होंने एक वर्चुअल PeLED बनाने और बिना लैब में धातु के एक भी टुकड़े को पिघलाए हजारों परीक्षण चलाने के लिए 'सेटफोस' (Setfos) नामक एक शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन सॉफ्टवेयर का उपयोग किया। उनका मुख्य विचार सरल लेकिन चतुर था: क्या होगा यदि हम ITO के ठीक ऊपर, बिजली के बाकी हिस्से से टकराने से पहले, एक विशेष धातु की एक अत्यंत पतली परत लगा दें? उन्होंने इसे ITO और अगली परत (जो निकल ऑक्साइड या NiOx है और "होल्स" यानी धनात्मक विद्युत आवेशों को ले जाने में मदद करती है) के बीच 2-नैनोमीटर मोटी सोने (Au) की परत डालकर परखा।
उनके सिमुलेशन के परिणाम चौंकाने वाले थे। सोने की इस छोटी सी 2-नैनोमीटर परत को जोड़ने से डिवाइस की चमक आसमान छू गई। वास्तव में, सोने से सुसज्जित डिवाइस बिना सोने वाले मानक डिवाइस की तुलना में 18 गुना से अधिक चमकदार था! टीम ने समझाया कि ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि सोने की परत ने एक मिलनसार द्वारपाल की तरह काम किया। मूल ITO सतह धनात्मक आवेशों के लिए थोड़ी कठिन थी, जिससे 0.5 इलेक्ट्रॉन वोल्ट का एक उच्च "इंजेक्शन बैरियर" बन रहा था। हालाँकि, सोने की परत का "हाई वर्क-फंक्शन" है, जिसका अर्थ है कि यह इन आवेशों के लिए बहुत अधिक स्वागत योग्य है। इसने उस बाधा को घटाकर केवल 0.1 इलेक्ट्रॉन वोल्ट कर दिया, जिससे होल्स की बाढ़ डिवाइस के अंदर आ गई। एक बार जब होल्स स्वतंत्र रूप से बहने लगे, तो वे प्रकाश उत्सर्जक परत के भीतर इलेक्ट्रॉन्स (ऋणात्मक आवेशों) से मिले, जिससे पुनर्संयोजन (recombination) की एक बड़ी पार्टी हुई जिसके परिणामस्वरूप रोशनी का एक बड़ा विस्फोट हुआ।
लेकिन वैज्ञानिक केवल सोने तक ही सीमित नहीं रहे। उन्होंने सोचा कि क्या समान "हाई वर्क-फंक्शन" गुणों वाले अन्य धातुएं भी यही चमत्कार करेंगी। उन्होंने सोने या प्लैटिनम के बजाय पैलेडियम (Pd) या प्लैटिनम (Pt) की परतें डालने का सिमुलेशन किया। परिणाम उतने ही प्रभावशाली थे: Pd परत ने मानक डिवाइस की तुलना में चमक को 16 गुना से अधिक बढ़ा दिया, और Pt परत ने इसे 15 गुना से अधिक बढ़ाया। इसने पुष्टि की कि रहस्य केवल सोने के बारे में नहीं था, बल्कि किसी भी ऐसी धातु का उपयोग करने के बारे में था जिसका वर्क-फंक्शन उच्च हो ताकि बिजली का रास्ता सुगम हो सके।
हालाँकि, एक पेच भी था, और सिमुलेशन ने इसे उजागर भी कर दिया। शोधकर्ताओं ने जांचा कि क्या होगा यदि वे धातु की परत को मोटा कर दें, जैसे कि 2 नैनोमीटर के बजाय 20 नैनोमीटर। जबकि बिजली अभी भी आसानी से अंदर आ रही थी (दरवाजा खुला था), लेकिन स्वयं प्रकाश फंस गया था। मोटी धातु की परतें बाहर निकलने की कोशिश कर रहे प्रकाश को अवशोषित और परावर्तित कर रही थीं, जो एक खिड़की को रोकने वाले भारी पर्दे की तरह काम कर रही थीं। भले ही डिवाइस आंतरिक रूप से अधिक प्रकाश उत्पन्न कर रहा था, लेकिन बहुत कम प्रकाश बाहर निकल पा रहा था। सिमुलेशन ने दिखाया कि जैसे-जैसे सोने की परत मोटी होती गई, चमक वास्तव में कम हो गई क्योंकि प्रकाश धातु के माध्यम से नहीं निकल सका। इससे उन्हें यह सीखने को मिला कि "स्वीट स्पॉट" एक बहुत ही पतली परत है—इतनी मोटी कि वह निरंतर बनी रहे और बिजली का संचालन करे, लेकिन इतनी पतली भी कि प्रकाश को गुजरने दे।
अंत में, यह अध्ययन सुझाव देता है कि एनोड और डिवाइस के बाकी हिस्सों के बीच सोने, पैलेडियम या प्लैटिनम जैसी उच्च वर्क-फंक्शन वाली धातु की एक सूक्ष्म शीट डालकर, हम PeLEDs के प्रदर्शन को नाटकीय रूप से बढ़ा सकते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि यह तकनीक केवल एक प्रकार के आवेश में ही मदद नहीं करती है; अधिक होल्स को अंदर आने देकर, यह वास्तव में अधिक इलेक्ट्रॉन्स को अंदर खींचने में भी मदद करती है, जिससे प्रकाश उत्पादन का एक आदर्श संगम बनता है। हालांकि ये निष्कर्ष वर्तमान में भौतिक प्रयोगों के बजाय कंप्यूटर मॉडल पर आधारित हैं, फिर भी वे अगली पीढ़ी के डिस्प्ले को अधिक उज्ज्वल और कुशल बनाने के लिए एक बहुत ही आशाजनक, कम लागत वाला और स्केलेबल नुस्खा प्रदान करते हैं। यह एक याद दिलाता है कि कभी-कभी, सबसे बड़े सुधार प्रवेश द्वार पर होने वाले सबसे छोटे बदलावों से आते हैं।
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