Fortschrittliche elektronische Geräte erfordern hochwertige Materialien wie Metallhalogenid-Leuchtstoffe, die Licht effektiv in messbare Signale umwandeln können. Besonders vielversprechend sind in dieser Hinsicht toxische elementfreie kupferbasierte Iodide wie Cäsiumkupferiodid (Cs3Cu2I5: CCI).
CCI ist ein effizientes, blaues Licht emittierendes Material, das nahezu die gesamte absorbierte Energie in nachweisbares Licht umwandeln kann, wodurch es sich ideal für den Einsatz in Fotodetektoren im tiefen UV-Bereich und γ-Strahlen-Szintillatoren zum Nachweis ionisierender Strahlung wie Gamma- oder Röntgenstrahlen eignet. Allerdings erfüllen die dünnen CCI-Filme nicht die erforderlichen Qualitätsstandards, was ihre Leistungsverbesserung für fortgeschrittene Stapelanwendungen behindert.
Nun wurde eine Studie veröffentlicht in der Zeitschrift der American Chemical Society hat sich mit diesem Problem befasst und eine innovative Methode zur Herstellung hochwertiger dünner Cs3Cu2I5-Filme vorgeschlagen. Die Studie wurde von Forschern des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) geleitet, darunter Professor Hideo Hosono als Korrespondenzautor und der speziell ernannte Assistenzprofessor Masatake Tsuji als Erstautor.
In einem früheren experimentellen Befund hatte das Team herausgefunden, dass Cäsiumiodid (CsI) und Kupferiodid (CuI)-Pulver bereits bei Raumtemperatur zu Cs3Cu2I5 reagieren können. Aufbauend auf dieser Erkenntnis schieden sie dünne Filme aus CuI und CsI auf einem Silica-Substrat ab, indem sie diese in einer Vakuumkammer verdampften. Anschließend ließ man die beiden Filme bei Raumtemperatur reagieren, um transparente und äußerst glatte Filme mit einer hohen optischen Durchlässigkeit (T) von 92 % zu bilden.
Interessanterweise stellten die Forscher fest, dass die Reihenfolge, in der die Schichten abgeschieden wurden, die gebildeten kristallinen Phasen beeinflusste. Sie stellten fest, dass die Abscheidung einer CsI-Schicht über CuI zur Bildung eines blauen Licht emittierenden dünnen Films aus Cs3Cu2I5 führte, der unter dieser Bedingung des Dickenverhältnisses die Gleichgewichtsphase darstellt.
Im Gegensatz dazu führte die Abscheidung von CuI über CsI zu einem gelben, lichtemittierenden dünnen Film aus CsCu2I3. Die Bildung dieser verschiedenen Phasen wurde auf eine Interdiffusion der Cs- und Cu-Atome zwischen den beiden Schichten zurückgeführt. Basierend auf diesen Beobachtungen fanden die Forscher heraus, dass die Bildung jeder Phase durch einfaches Anpassen der Dicke jedes Films gesteuert werden konnte, um ein bestimmtes Verhältnis von CsI zu CuI zu erreichen.
Die Forscher argumentierten daher, dass der Interdiffusionsprozess zur Bildung ausgeprägter lokaler Strukturen mit Punktdefekten führt, die bei Photoanregung durch nichtstrahlende Kanäle zerfallen, was zu hocheffizienten Emissionen führt.
„Wir schlagen vor, dass diese Bildung auf die schnelle Diffusion von Cu+- und I−-Ionen in CsI-Kristalle zusammen mit der Bildung von I− an der Cs+-Stelle und interstitiellem Cu+ im CsI-Gitter zurückzuführen ist“, erklärt Prof. Hosono. Die photolumineszierenden Eigenschaften von Cs3Cu2I5 beruhen auf der einzigartigen lokalen Struktur um das Lumineszenzzentrum, der Asymmetrische [Cu2I5]3−Polyeder-Iodocuprat-Anion, bestehend aus dem kantenverknüpften CuI3-Dreieck und dem durch Cs+-Ionen isolierten CuI4-Tetraeder-Dimer.
Mit diesem Ansatz konnten die Forscher strukturierte Dünnfilme herstellen, indem sie selektiv eine CsI-Schicht durch eine Schattenmaske abschieden. Dadurch konnten sie die Abscheidung von CsI steuern und nur den gewünschten Bereich des Substrats strukturieren.
Durch sorgfältige Anpassung der Dicke der CuI- und CsI-Schichten konnten sie erfolgreich einen Film mit einem zentralen, blaues Licht emittierenden Cs3Cu2I5-Bereich herstellen, der von einem gelben Licht emittierenden CsCu2I3-Bereich begrenzt wird. Darüber hinaus zeigten sie, dass die gleichen dünnen Filme durch die Verwendung von lösungsverarbeiteten CuI- und strukturierten CsI-Dünnfilmen erhalten werden können, um zukünftige Anwendungen vorwegzunehmen.
„Unsere Studie erklärt den Mechanismus, der der Bildung der seltenen lokalen Strukturen in Cs3Cu2I5 zugrunde liegt, und seinen Zusammenhang mit der Photolumineszenz in diesen Materialien. Diese Ergebnisse können letztendlich den Weg für die Entwicklung hochwertiger Dünnschichtgeräte mit idealen optischen Eigenschaften für fortgeschrittene Stapelanwendungen ebnen.“ „, schließt Prof. Hosono.
Mehr Informationen:
Masatake Tsuji et al., Raumtemperatur-Festkörpersynthese von Cs3Cu2I5-Dünnfilmen und Bildungsmechanismus für ihre einzigartige lokale Struktur, Zeitschrift der American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c01713