Một nhóm nghiên cứu từ Đại học khoa học và công nghệ Trung Quốc (USTC) có bước đột phá lớn trong việc tạo ra các diode phát quang perovskite đỏ thuần (PeLED) chiếu sáng mạnh và hiệu suất cao hơn bao giờ hết.

Các đèn LED mới này đạt hiệu suất lượng tử bên ngoài (EQE) cực đại là 24,2%, độ sáng tối đa là 24.600 candela trên mét vuông (cd m-2), lập kỷ lục mới cho đèn PeLED đỏ thuần. Tiến bộ này có thể mở đường cho màn hình sống động hơn và công nghệ chiếu sáng tốt hơn.

Trong một thời gian dài, đèn PeLED đỏ thuần phải đối mặt với sự đánh đổi đầy thách thức: hiệu suất cao hoặc độ sáng, nhưng không thể có cả hai. Ở độ sáng cao, hiệu suất của chúng sẽ giảm đáng kể, khiến việc sử dụng chúng cho các ứng dụng thực tế trở nên khó khăn.

Các nhà khoa học hiểu rằng, một phần của vấn đề có liên quan đến hiện tượng gọi là rò rỉ hạt tải điện trong vật liệu perovskite halide hỗn hợp 3D, khi đó các điện tích dùng để tạo ra ánh sáng sẽ thoát ra ngoài, làm giảm hiệu quả chung của thiết bị. Nguyên nhân chính xác của rò rỉ này vẫn là một bí ẩn đến tận bây giờ.

Nhóm nghiên cứu sử dụng một công cụ đặc biệt mà họ phát triển, gọi là quang phổ hấp thụ thoáng qua kích thích điện (EETA). Công cụ chẩn đoán này cho phép họ quan sát cách các điện tích di chuyển bên trong đèn LED theo thời gian thực.

Thông qua các quan sát này, họ phát hiện lý do chính gây ra tình trạng mất hiệu suất là các lỗ hổng - một loại điện tích - rò rỉ vào lớp truyền điện tử của thiết bị. Sự rò rỉ này trước đây không được phát hiện vì không có công cụ nào đủ nhạy để phát hiện ra nó.

Để giải quyết vấn đề, các nhà nghiên cứu tạo ra thiết kế mới. Thiết kế này bao gồm các vùng phát sáng có khoảng băng thông hẹp, đặt trong khung lớn hơn của vật liệu perovskite, ngăn cách bởi các rào cản có khoảng băng thông rộng. Rào cản này giữ lại hiệu quả các điện tích bên trong vùng phát sáng, ngăn không cho chúng rò rỉ ra ngoài.

Một phần quan trọng của thiết kế này là phân tử có tên p-Toluenesulfonyl-L-arginine (PTLA), liên kết chặt chẽ với cấu trúc tinh thể của perovskite. PTLA không chỉ duy trì cấu trúc ổn định mà còn mở rộng mạng cục bộ, tạo ra các vùng có khoảng băng thông rộng cần thiết mà không làm gián đoạn vật liệu tổng thể.

Sử dụng kỹ thuật hình ảnh có độ phân giải cao, các nhà nghiên cứu xác nhận cấu trúc mới này cho phép các điện tích chuyển động trơn tru trong khi vẫn giới hạn chúng trong vùng phát sáng. Kết quả thật ấn tượng. Đèn PeLED được thiết kế lại vẫn duy trì hiệu suất cao ngay cả ở mức cực sáng, 22.670 cd m-2, tức là khoảng 90% độ sáng tối đa của chúng, EQE vẫn ở mức 10,5%.

Điều này tốt hơn nhiều so với bất kỳ đèn PeLED màu đỏ thuần nào từng đạt được trước đây. Các thiết bị này cũng rất ổn định, với thời gian bán hủy là 127 giờ ở mức 100 cd m-2 và sự thay đổi màu tối thiểu trong quá trình hoạt động.

Bước đột phá này không chỉ đánh dấu một bước tiến lớn trong quá trình phát triển đèn LED perovskite mà còn mở ra những khả năng mới cho việc sử dụng chúng trong màn hình siêu sáng và các giải pháp chiếu sáng tiên tiến.

Nhóm nghiên cứu tin rằng thiết kế sáng tạo của họ có thể thay đổi cách phát triển công nghệ LED, mang lại màn hình hiệu quả và sáng hơn. Những người đánh giá nghiên cứu này, thậm chí còn gọi đây là “bước ngoặt trong nghiên cứu đèn LED perovskite”, nhấn mạnh tiềm năng của nó trong việc biến đổi lĩnh vực quang điện tử.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature ngày 7/5/2025.