ラトガース大学チーム、深青色LEDsを開発

July, 29, 2025, New Brunswick--ラトガース大学が率いる科学者チームは、環境に優しく、非常に安定した超高輝度材料を開発し、それを使用して、すべての主要な照明システムの中心にあるエネルギー効率の高いデバイスである発光ダイオード (LED) で深青色光 (～450 nm で発光) を生成した。

この発見を開拓した科学者によると、新しいヨウ化銅とヨウ化物のハイブリッドエミッタ材料は、その優れた品質により、青色LED技術の進歩に貢献することが期待されている。材料を生成するプロセスは、科学雑誌「Nature」に記載されている。

「深青色LEDは、今日のエネルギー効率の高い照明技術の中心である」と、芸術科学部化学および化学生物学科の特別教授兼理事会教授、研究を主導したJing Liはコメントしている。「しかし、既存のオプションでは、有毒な成分の使用により、安定性、拡張性、コスト、効率、または環境への懸念に問題が生じることがよくある。この新しいヨウ化銅とヨウ化物のハイブリッドは、その非毒性、堅牢性、高性能を活用した魅力的なソリューションを提供する。」

LEDsは、半導体と呼ばれる特殊な材料を使用して、効率的かつ耐久性のある方法で電気を光に変える照明デバイスである。青色LEDは1990年代初頭に発見され、その発見者は2014年のノーベル物理学賞を受賞した。

青色LEDsは、白色光を生成するために使用され、一般的な照明用途に不可欠であるため、特に重要である。

ラトガース大学のLiと同僚たちは、ブルックヘブン国立研究所の科学者や、国内外の機関を代表する他の4つの研究チームと協力して、既存の青色LEDsを改良する新材料の開発に取り組んだ。

この研究に関与した研究者は、ヨウ化銅と有機分子の組み合わせという新しいタイプのハイブリッド材料を使用して、青色LEDsをより効率的かつ持続可能にする方法を見つけた。

「われわれは、非常に明るい深青色の光を発する新しい種類の材料を作成し、それらを使用して現在の青色LEDsよりも低コストでLEDsを製造したいと考えていた」(Li)。

新しいハイブリッドヨウ化銅半導体は、LEDsに使用される他のいくつかの材料に比べて多くの利点を提供すると科学者は話している。ハロゲン化鉛ペロブスカイトは、費用対効果が高い一方で、人体に有毒な鉛が含まれているほか、水分や酸素に弱いため、安定性に問題がある。有機LEDs(OLEDs)は柔軟性があり、効率が良い可能性があるが、構造的およびスペクトル的安定性が不足している場合があり、時間の経過とともに急速に劣化し、色の品質が低下する可能性がある。コロイド量子ドットは、主に緑色および低エネルギーのLEDsで優れた性能を発揮し、多くの場合、カドミウムベースであるため、毒性の懸念が生じる可能性がある。燐光性有機エミッタは、合成に費用がかかり、複雑になる場合がある。

「この新素材は、現在存在するものに代わる環境に優しく安定した代替品を提供し、これらの問題のいくつかに対処し、LED技術を進歩させる可能性がある」(Li)。

ハイブリッドヨウ化銅材料は、約99.6%の非常に高いフォトルミネッセンス量子収率などの良好な特性を備えており、受け取ったほぼすべての光エネルギーを青色光に変換する。この材料から作られた青色LEDsは、最大外部量子効率(放出されるフォトンの数と注入される電子の数の比)が12.6%に達し、溶液処理されたディープブルーLEDsとしてはこれまでの最高値を達成した。

これらのLEDsは明るいだけでなく、他の多くのLEDsと比較して長持ちする。通常の状態では、動作の半減期は約204時間で、明るさが薄れ始めるまでかなりの時間輝き続けることが可能である。さらに、この材料は大規模アプリケーションでうまく機能する。研究チームは、高効率を維持するより大きなデバイスを作成することに成功し、この材料が実際のアプリケーションで使用される可能性があることを示した。

この材料の優れた性能の秘密は、科学者によって開発された二重界面水素結合パッシベーションと呼ばれる革新的な技術にある。この製造技術により、LEDsの性能は4倍に大幅に向上する。
「われわれの処理方法は、これらのハイブリッド材料の界面での電荷の移動を妨げる可能性のある欠陥を最小限に抑える」と、Rutgersの元大学院生、ポスドク研究員であり、現在はドイツのMax Planck Instituteに在籍し、論文の筆頭著者であるKun Zhuは話している。「このアプローチは、高性能 LEDs を生成するための多用途の戦略になる可能性がある。」

LED が異なる層を持つサンドイッチとして想像できる場合、各層には、光を放出したり、電子や正孔を輸送したりするなど、特定の役割がある。場合によっては、エミッシブ層がインタフェイス層と完全に相互作用しないため、効率が低下したり、寿命が短くなったりする可能性がある。この技術は、層間に水素結合を形成してより良い接続を作成することで、このような問題を解消する。

「全体として、このタイプの新素材は、より優れた、より明るく、より長持ちする LEDs への道を切り開いている」と Li はコメントしている。