L'équipe du professeur Xie Rongjun de l'École des matériaux de l'Université de Xiamen, en collaboration avec l'équipe du professeur Wang Lixin de l'Université de Fudan, a élucidé pour la première fois le mécanisme clé de la dégradation de l'émission lumineuse des LED (diodes électroluminescentes) à pérovskite à base d'étain, provoquée par l'oxydation électrochimique sous l'effet d'un champ électrique. Ils ont proposé une stratégie de régulation synergique combinant dopage du réseau cristallin et passivation de surface, et ont réussi à fabriquer des LED à pérovskite à base d'étain à haute efficacité et à longue durée de vie opérationnelle, fournissant ainsi un soutien théorique important et une voie technologique pour le développement de dispositifs optoélectroniques à pérovskite sans plomb haute performance. Les résultats de ces recherches ont été publiés le 27 dans la revue internationale « Science ».
Les LED à pérovskite à base d'étain dans le proche infrarouge présentent des avantages tels qu'une faible toxicité, une processabilité en solution et un faible coût, et offrent de vastes perspectives d'application dans les domaines de la communication optique, de l'imagerie de vision nocturne, du stockage de données et de la détection biomédicale. Cependant, depuis longtemps, les caractéristiques intrinsèques des matériaux, telles que la forte propension à l'oxydation des ions d'étain divalents et la difficulté à contrôler le processus de cristallisation des pérovskites à base d'étain, ont entraîné un retard de l'efficacité lumineuse et de la stabilité des dispositifs par rapport aux LED à pérovskite à base de plomb et aux LED à points quantiques traditionnelles, freinant ainsi leur développement et leur application pratique.
Pour résoudre ce problème, l'équipe de recherche a systématiquement analysé les changements structurels des films de pérovskite à base d'étain sous champ électrique, les variations de valence des ions d'étain ainsi que le processus de dégradation de l'émission lumineuse des dispositifs, et a identifié que la cause fondamentale de la défaillance des dispositifs est l'oxydation électrochimique déclenchée par un déséquilibre d'injection des porteurs de charge. Lorsque le dispositif est sous tension, un excès de porteurs de charge conducteurs s'accumule à l'intérieur, et combiné à la conductivité intrinsèque du matériau, ces deux facteurs conjugués provoquent une oxydation irréversible de l'étain divalent, entraînant une modification de la structure cristalline, une dégradation des performances d'émission lumineuse et une chute brutale de l'efficacité lumineuse du dispositif.
Sur la base de cette découverte, les chercheurs ont adopté une stratégie synergique combinant dopage du réseau cristallin et passivation de surface, afin de stabiliser la structure cristalline de la pérovskite, d'améliorer le transport des porteurs de charge et de supprimer les transitions non radiatives. Ils ont ainsi réussi à fabriquer des LED à pérovskite à base d'étain dans le proche infrarouge aux performances exceptionnelles. L'efficacité quantique externe maximale de ce dispositif atteint 21,2 %, et sa durée de vie opérationnelle dépasse 900 heures.
Ces résultats démontrent que les LED à pérovskite à base d'étain dans le proche infrarouge, tout en conservant leur avantage de respect de l'environnement, ont réalisé une percée substantielle en termes de performances optoélectroniques, et peuvent fournir une nouvelle source de lumière proche infrarouge pour des domaines d'application tels que la communication optique et l'imagerie biomédicale.