Eine neue Studie unter der Leitung von MIT-Forschern könnte die Entwicklung energieeffizienterer digitaler Displays vorantreiben – wie beispielsweise Flachbildfernseher, Augmented- und Virtual-Reality-Headsets, Smartphone-Bildschirme, medizinische Bildgebungsgeräte und sogar großflächige Umgebungsbeleuchtungsflächen –, die zudem sattere und hellere Farben erzeugen.
Die MIT-Wissenschaftler untersuchten in Zusammenarbeit mit Forschern von Samsung die mikroskopischen Veränderungen, die im Inneren von LEDs auftreten, die elektrisch angeregte Quantenpunkte nutzen – präzise geformte Halbleiterpartikel im Nanobereich, die extrem reines farbiges Licht emittieren.
Warum QD-LEDs trotz großer Vorteile bislang nicht durchstarten
Quantenpunkte werden derzeit in einigen der Computer- und Fernsehbildschirme mit der besten verfügbaren Bildqualität eingesetzt. Die Effizienz dieser Displays könnte weiter verbessert und ihr Herstellungsprozess weiter vereinfacht werden, wenn die Quantenpunkte elektrisch angeregt werden könnten, wie dies vor über 20 Jahren erstmals in den Quantenpunkt-LED-Strukturen (QD-LED) demonstriert wurde. Allerdings haben Einschränkungen hinsichtlich der Lebensdauer dieser QD-LEDs deren breite Nutzung in kommerziellen Anwendungen bisher verhindert.
Die neue Studie zeigt, wie die Verkapselung von QD-LEDs in einem Harz auf Acrylatbasis deren Lebensdauer verlängern kann, indem der physikalische Verschleiß minimiert wird, der andernfalls während des Betriebs der QD-LEDs auftreten würde. Die Forscher konnten nachweisen, dass die Einkapselung von QD-LEDs mit einer Harzschicht mittels eines einfachen, skalierbaren Verfahrens die Stabilität und Leistung steigert. Bei einigen Bauelementen ermöglichte die Harzkapselung eine 5.000-fache Verlängerung der Lebensdauer. Wichtig ist, dass ihre Studie die grundlegenden Gründe aufzeigt, warum die Harzkapselung wirksam ist.
„Die Erkenntnisse darüber, wie und warum sich Quantenpunkt-LEDs während ihres Betriebs verändern, eröffnen die Möglichkeit, alle Hindernisse zu beseitigen, die der Kommerzialisierung von QD-LED-Displays im Wege stehen. Diese Technologie kann eine Lichtquelle bieten, wie es sie noch nie zuvor gab – farbrein, hauchdünn und großflächig –, und damit die Art und Weise verändern, wie wir sowohl Displays als auch allgemeine Beleuchtung herstellen“, sagt Vladimir Bulović, Fariborz-Maseeh-Professor (1990) für Zukunftstechnologien, leitender Forscher am Research Laboratory of Electronics (RLE), Direktor von MIT.nano und leitender Autor dieser Studie.
Ein blauer Engpass
Diese Arbeit stützt sich auf die Grundlagenforschung von Bawendi, der 2023 für die Entdeckung und Synthese von Quantenpunkten den Nobelpreis für Chemie erhielt, sowie auf die technische Arbeit von Bulović, der im Jahr 2000 an das MIT kam und dort begann, gemeinsam mit Bawendi an der Entwicklung effizienter LED-Displays unter Verwendung von Quantenpunkten zu arbeiten.
Herkömmliche LED-Displays nutzen Tausende winziger Glühbirnen, die das rote, grüne und blaue Licht erzeugen, das erforderlich ist, um jede Farbe des sichtbaren Spektrums wahrnehmbar zu machen. Fortgeschrittenere OLED-Bildschirme, die Bulović im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Princeton University entwickelte, nutzen anstelle von Glühbirnen elektrisch angeregte, leuchtende organische Moleküle.
Bulović, Bawendi und andere Forscher am MIT versuchten, die organischen Moleküle durch Quantenpunkte zu ersetzen, die reineres rotes, grünes und blaues Licht auf energieeffizientere Weise emittieren. „Mit Quantenpunkten wäre die Farbqualität des Bildschirms optisch ansprechender und flexibler. Man kann diese Quantenpunktfarben präziser miteinander kombinieren, um jede benötigte Farbe zu erzeugen“, sagt Bulović.
Aus ihrer Zusammenarbeit entstand eine Reihe von Erfindungen im Bereich der Quantenpunkt-LED-Technologien, was zur Gründung des Start-ups QD Vision führte, das die ersten Displays mit Quantenpunkten erfolgreich auf den Markt brachte. Im Jahr 2016 wurde QD Vision von Samsung übernommen, das eine weniger effiziente Form der Quantenpunkt-Technologie in seine „QLED“-Displays integrierte.
Obwohl sie energieeffizienter sind, wurden elektrisch angeregte QD-LEDs bislang noch nicht kommerzialisiert, insbesondere da die begrenzte Lebensdauer der blauen QD-LEDs nicht den Anforderungen kommerzieller Displays entspricht. „Die blauen Quantenpunkt-LEDs sind 50- bis 100-mal weniger stabil als ihre roten und grünen Pendants. Wenn man sie in einem LED-Display einsetzt, könnte der Fernseher schon nach wenigen Monaten den Geist aufgeben. Wir wollten verstehen, was die blauen Quantenpunkt-LEDs von den anderen unterscheidet“, sagt Zhang.
Eine Untersuchung im Nanobereich
Er und seine Kollegen entwickelten eine Technik, um eine winzige QD-LED in nanodünne Scheiben zu schneiden und so den Querschnitt des Bauteils freizulegen. Diese Querschnitte untersuchten sie unter extrem leistungsstarken Mikroskopen bei MIT.nano. Diese präzise Methode ermöglichte es ihnen, zu beobachten, was auf der Nanometerskala mit den ultradünnen Materialschichten geschieht, die im Inneren der QD-LED übereinander geschichtet sind.
Sie untersuchten die strukturellen und chemischen Veränderungen, die in jeder Schicht der roten und blauen QD-LEDs auftraten, indem sie Querschnitte frisch hergestellter Bauelemente mit Querschnitten von Bauelementen verglichen, die im Überlastbetrieb betrieben worden waren. Die Forscher stellten fest, dass während des Betriebs die drei zentralen Funktionsschichten, die das Leuchten der blauen QD-LEDs ermöglichen, degradiert werden, wobei sich ihre Morphologie verändert und ihre Dicke abnimmt.
Die einzelnen Quantenpunkte verschmelzen zudem miteinander und verlieren dabei ihre Form. Diese Ausdünnung und Vergröberung der Schicht wird zum Teil durch die Freisetzung von zusätzlichem Wasserstoff und Sauerstoff während des Betriebs verursacht. „Wir wissen noch nicht genau, woher diese zusätzlichen Elemente stammen – es gibt so viele Möglichkeiten. Aber wir wollen auf keinen Fall zusätzlichen Wasserstoff und Sauerstoff im Bauelement haben“, sagt Zhang.
Um diese Verschlechterung zu verhindern, griffen sie auf eine Technik zurück, die in der Industrie gelegentlich angewendet wird. Sie kapselten die QD-LEDs mit einem Harz auf Acrylatbasis ein. Sie stellten fest, dass diese Verkapselungstechnik die Freisetzung von Wasserstoff und Sauerstoff unterdrückt und einen Teil der Verschlechterung hemmt, die die Morphologie der Schichten der blauen QD-LED verändert.
„Zum ersten Mal haben wir Einblicke in die Details dessen, was im Inneren dieser Strukturen aus vielen gemischten und geschichteten Materialien, aus denen die QD-LED besteht, vor sich geht. Das wusste zuvor niemand“, sagt Bulović. Diese Verkapselungsstrategie, bei der es sich um eine kostengünstige und skalierbare Technik handelt, führte zu einer achtfachen Verlängerung der Lebensdauer roter QD-LEDs und zu einer mehr als 5.000-fachen Verlängerung der Lebensdauer blauer QD-LEDs.
Wie Harzverkapselung die Alterung von QD-LEDs ausbremst
Die Forscher gehen davon aus, dass das Harz die Bildung von Feuchtigkeit in der Gaswolke verhindert, die den Quantenpunkt umgibt. Diese Feuchtigkeit führt wahrscheinlich zur Alterung der QD-LED. Ihre Experimente zeigten jedoch, dass die Einkapselung mit Harz nicht alle Ursachen für die Alterung beseitigt. Die Forscher untersuchen nun die Hinzufügung zusätzlicher Schichten zu QD-LEDs, die den Wirkungsgrad und die Lebensdauer weiter verbessern könnten. Außerdem planen sie, auf den Erkenntnissen dieser Studie aufzubauen, um die Stabilität von QD-LEDs für andere Anwendungen zu erhöhen.
„Diese Version von Quantenpunkt-LEDs wäre besser als alles, was es derzeit gibt – einfacher herzustellen, effizienter und leistungsstärker. Dies könnte neue Perspektiven für viele weitere Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie eröffnen, nicht nur für Displays oder Beleuchtung, sondern auch für Sensoren, Laser und so weiter“, sagt Bulović.
Diese Arbeit wurde vom Samsung Advanced Institute of Technology finanziert. Die Forschung wurde teilweise unter Nutzung der Einrichtungen von MIT.nano durchgeführt.
