A equipe do Professor Xie Rongjun, da Faculdade de Materiais da Universidade de Xiamen, em colaboração com a equipe do Professor Wang Lixin, da Universidade de Fudan, elucidou pela primeira vez o mecanismo-chave pelo qual a oxidação eletroquímica de perovskitas à base de estanho sob campo elétrico causa a degradação da emissão de luz em LEDs (diodos emissores de luz). A equipe propôs uma estratégia sinérgica de dopagem da rede cristalina combinada com passivação de superfície, fabricando com sucesso LEDs de perovskita à base de estanho com alta eficiência e longa vida útil, fornecendo importante suporte teórico e caminho tecnológico para o desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos de perovskita sem chumbo de alto desempenho. Os resultados da pesquisa foram publicados no dia 27 na revista internacional Science.

Os LEDs de perovskita à base de estanho na faixa do infravermelho próximo apresentam vantagens como baixa toxicidade, processabilidade em solução e baixo custo, com amplas perspectivas de aplicação em áreas como comunicação óptica, imageamento por visão noturna, armazenamento de dados e detecção biomédica. No entanto, por muito tempo, características intrínsecas do material, como a extrema facilidade de oxidação dos íons de estanho divalente e a dificuldade de controlar o processo de cristalização das perovskitas à base de estanho, resultaram em eficiência de emissão de luz e estabilidade dos dispositivos inferiores às dos LEDs de perovskita à base de chumbo e dos LEDs tradicionais de pontos quânticos, limitando seu desenvolvimento e aplicação prática.

Para resolver esse desafio, a equipe de pesquisa analisou sistematicamente as mudanças estruturais do filme de perovskita à base de estanho sob campo elétrico, as variações no estado de valência dos íons de estanho e o processo de degradação da emissão de luz do dispositivo, identificando que a causa raiz da falha do dispositivo é a oxidação eletroquímica desencadeada pelo desequilíbrio na injeção de portadores de carga. Quando o dispositivo é energizado e opera, ocorre um acúmulo excessivo de portadores de carga condutores em seu interior, que, somado à condutividade elétrica intrínseca do próprio material, atua de forma combinada para causar a oxidação irreversível do estanho divalente, resultando em alterações na estrutura cristalina, degradação do desempenho de emissão de luz e uma queda abrupta na eficiência luminosa do dispositivo.

Com base nessa descoberta, os pesquisadores adotaram uma estratégia sinérgica de dopagem da rede cristalina combinada com passivação de superfície, estabilizando a estrutura cristalina da perovskita, melhorando o transporte de portadores e suprimindo transições não radiativas, fabricando com sucesso LEDs de perovskita à base de estanho na faixa do infravermelho próximo com excelente desempenho. O dispositivo atingiu uma eficiência quântica externa de pico de 21,2% e uma vida útil superior a 900 horas.

Esse resultado demonstra que os LEDs de perovskita à base de estanho na faixa do infravermelho próximo, ao mesmo tempo em que mantêm a vantagem de serem ambientalmente amigáveis, alcançaram um avanço substancial no desempenho optoeletrônico, podendo fornecer novas fontes de luz no infravermelho próximo para áreas de aplicação como comunicação óptica e imageamento biomédico.