Hellere, dünnere und stromsparendere Bildschirme könnten aus einer überraschend einfachen Lösung entstehen.
Forscher des MIT und von Samsung haben Dioden auf Quantenpunktbasis mit einem schützenden Harz überzogen. Bei einigen blauen Prototypen hat diese Behandlung ihre Lebensdauer um mehr als das 5000-fache verlängert, ohne ihre Herstellung grundlegend zu verändern.
Quantenpunkte sind winzige Halbleiterkristalle, die nur wenige Nanometer messen. Wenn sie Energie erhalten, emittieren sie Licht, dessen Farbe genau von ihrer Größe abhängt. So können sie besonders reine Rottöne, Grüntöne und Blautöne erzeugen, mit geringeren Lichtverlusten als viele aktuelle Technologien.
Einige Fernseher nutzen diese Nanopartikel bereits, jedoch nur als Farbfilter vor einer anderen Lichtquelle. Die hier untersuchten QD-LEDs funktionieren anders. Der elektrische Strom regt die Quantenpunkte direkt an, die selbst das Licht erzeugen. Diese Architektur könnte Bildschirme vereinfachen und gleichzeitig ihre Dicke und ihren Energieverbrauch reduzieren.
Ein Hindernis blieb jedoch bestehen: Die blauen Dioden alterten viel zu schnell. Ihre Stabilität lag 50- bis 100-mal niedriger als die der roten und grünen Versionen. In einem kompletten Fernseher hätte diese Schwäche die Betriebsdauer auf wenige Monate begrenzen können, was eine realistische Vermarktung unmöglich gemacht hätte.
Um diesen Abbau zu verstehen, schnitten die Forscher die Dioden in extrem dünne Scheiben. Leistungsstarke Mikroskope ermöglichten es ihnen anschließend, jede Schicht vor und nach intensivem Betrieb zu beobachten. In den blauen Komponenten wurden mehrere Materialien dünner, veränderten ihre Form und begannen sich zu vermischen. Die Quantenpunkte verloren dabei ihre ursprüngliche Struktur.
Diese Veränderungen scheinen insbesondere mit der Freisetzung von Wasserstoff und Sauerstoff während des Betriebs zusammenzuhängen. Diese Elemente begünstigen offenbar die Bildung von Feuchtigkeit um die Nanopartikel herum, was deren Zersetzung beschleunigt. Das Team kapselte die Dioden daher in ein Harz auf Acrylatbasis ein, das bereits mit einfachen und relativ kostengünstigen Industrieprozessen kompatibel ist.
Der Schutz verbesserte die Lebensdauer der roten Dioden um das Achtfache. Bei den blauen Dioden überstieg der Gewinn in einigen Experimenten den Faktor 5000. Das Harz begrenzt die Gasfreisetzung und verlangsamt die beobachteten physikalischen Veränderungen in den verschiedenen Schichten. Es unterdrückt jedoch nicht alle Mechanismen, die für die Alterung verantwortlich sind.
Die Forscher möchten nun weitere Schutzschichten hinzufügen, um die Stabilität und Effizienz weiter zu erhöhen. Diese Technologie könnte in Fernsehern, Smartphones, Virtual-Reality-Headsets oder medizinischen Bildgebungsgeräten eingesetzt werden. Sie könnte auch zur Herstellung großer leuchtender Flächen, Sensoren oder Laser mit sehr präzisen Farben dienen.