DimensionNet, kürzlich – Das Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA und das Samsung Advanced Institute of Technology in Südkorea haben eine Acrylharz-Verkapselungsmethode entwickelt, die die Betriebslebensdauer von cadmiumfreien Quantenpunkt-Leuchtdioden (QD-LEDs) drastisch verlängert. Dabei erhöhte sich die Lebensdauer blauer QD-LEDs nach Umrechnung der Testbedingungen um mehr als das 5000-Fache. Das Forschungsteam identifizierte gleichzeitig die Hauptursache für das Bauteilversagen: Wasserstoff- und Sauerstoff-reaktive Spezies, die während des Betriebs erzeugt werden und migrieren, verändern schrittweise die Mikrostruktur der Quantenpunkte und der angrenzenden Funktionsschichten. Die Ergebnisse wurden in Science Advances veröffentlicht.
Diese Forschung bezieht sich nicht auf die auf dem TV-Markt üblichen „Quantenpunkt-Hintergrundbeleuchtungsbildschirme". Einige aktuelle QLED-Fernseher verwenden weiterhin herkömmliche LEDs als Hintergrundbeleuchtung, wobei die Quantenpunkte hauptsächlich für die Absorption und Umwandlung des Lichts zuständig sind. Bei QD-LEDs hingegen werden Elektronen und Löcher direkt in die Quantenpunkt-Emissionsschicht injiziert, und die Quantenpunkte erzeugen selbst rotes, grünes und blaues Licht. Die Vorteile sind ein schmaleres Emissionsspektrum, eine höhere Farbreinheit, eine potenziell einfachere Bauteilstruktur sowie die Eignung für flexible und großflächige Displays.
Das eigentliche Hindernis für die Kommerzialisierung von QD-LEDs ist die Lebensdauer, insbesondere bei blauen Bauteilen. Die Energie blauer Photonen ist höher als die von roten und grünen Photonen, was höhere Anforderungen an das Quantenpunktmaterial, die Grenzflächenstruktur und den Ladungsträgerausgleich stellt. Tests am MIT ergaben, dass die Stabilität blauer QD-LEDs etwa 50- bis 100-mal geringer ist als die von roten und grünen Bauteilen. Bei Verwendung dieser Bauteile in Vollfarbdisplays könnten die blauen Subpixel zuerst degradieren, was zu Farbverschiebungen und Helligkeitsverlusten führt.
Die vom Team hergestellten Bauteile bestehen aus mehreren übereinanderliegenden Nanoschichten. Die Grundstruktur umfasst nacheinander eine Indiumzinnoxid-Elektrode, eine Lochinjektionsschicht, eine Lochtransportschicht, eine Quantenpunkt-Emissionsschicht, eine Magnesium-Zinkoxid-Nanopartikel-Elektronentransportschicht und eine Aluminiumelektrode. Rote Bauteile verwenden InP/ZnSe/ZnS-Kern-Schale-Quantenpunkte, blaue Bauteile ZnTeSe/ZnSe/ZnS-Quantenpunkte. Der gesamte Emissionsbereich hat nur eine Dicke im Nanometerbereich. Jede Schicht, die dünner wird, Partikelvergröberung oder Elementmigration aufweist, kann das Gleichgewicht der Elektronen- und Lochinjektion stören.
Um zu verstehen, was im Inneren der Bauteile geschieht, schnitten die Forscher die QD-LEDs mit einem fokussierten Ionenstrahl in Querschnittsscheiben von weniger als 200 nm Dicke und verglichen neue mit gealterten Bauteilen mittels Transmissionselektronenmikroskopie. Die Ergebnisse zeigten, dass nach kontinuierlichem Betrieb die Elektronentransportschicht, die Quantenpunkt-Emissionsschicht und die organische Lochtransportschicht eine Verdichtung und Dickenabnahme aufwiesen. Ursprünglich getrennte Nanopartikel vergröberten und aggregierten allmählich, und einige Quantenpunkte verloren ihre ursprüngliche Kontur.
Diese Degradation ist nicht einfach ein „Durchbrennen" des Materials. Elementanalysen ergaben, dass während des Betriebs Wasserstoff- und Sauerstoff-reaktive Spezies entstehen und zwischen den verschiedenen Funktionsschichten diffundieren. Dabei sammelt sich Sauerstoff an der Grenzfläche zwischen der Aluminiumelektrode und der Magnesium-Zinkoxid-Elektronentransportschicht. In-situ-Transmissionselektronenmikroskopie-Experimente bestätigten zudem, dass die Vergröberungsrate der Magnesium-Zinkoxid-Nanopartikel in Gegenwart von Wasserstoff-reaktiven Spezies beschleunigt wird. Nach der Veränderung der Partikelstruktur ändern sich die Elektronentransportwege und Grenzflächenenergieniveaus, das Verhältnis der von den Quantenpunkten aufgenommenen Elektronen und Löcher gerät aus dem Gleichgewicht, die nichtstrahlende Rekombination nimmt zu, was letztlich zu einer Abnahme von Helligkeit und Effizienz führt.
Die Funktion der Acrylharz-Verkapselung besteht nicht darin, die Quantenpunkte selbst mit einer zusätzlichen Schutzschicht zu versehen. Vielmehr wird das Harz nach der Bauteilherstellung zwischen der Elektrode und dem Verkapselungsglas platziert, um die chemische Umgebung im Inneren des Bauteils zu verändern. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das Harz die Bildung und Migration von Wasserstoff- und Sauerstoff-reaktiven Spezies unterdrücken, die Partikelvergröberung in der Elektronentransportschicht und der Quantenpunktschicht reduzieren und die fortschreitende Dickenabnahme der mehrschichtigen Struktur verhindern kann. Das Forschungsteam geht davon aus, dass das Harz auch die Bildung von Feuchtigkeit in der Gasumgebung im Bauteil unterdrücken könnte, da Feuchtigkeit ein wichtiger Faktor für die Materialdegradation ist.
Die Lebensdauertests verwendeten den LT50-Indikator, also die Betriebszeit, bis die Helligkeit des Bauteils auf 50 % des Anfangswerts abfällt. Die LT50 des unverkapselten blauen Bauteils betrug nur 0,2 Stunden, nach der Verkapselung 115,5 Stunden, wobei die anfängliche Helligkeit des verkapselten Bauteils im Test höher war. Die Forscher kombinierten die Daten mit einem Helligkeitsbeschleunigungsfaktor und rechneten beide Datensätze auf 100 Candela pro Quadratmeter um, was zu einer Lebensdauersteigerung um mehr als das 5000-Fache führte. Die LT50 des roten Bauteils stieg von 22,1 Stunden auf 189,9 Stunden, eine Steigerung um etwa das 8-Fache.
Die „Steigerung um das 5000-Fache" kann nicht direkt so interpretiert werden, dass die Lebensdauer von Fernsehgeräten bereits um das 5000-Fache verlängert wurde. Diese Zahl stammt aus der Umrechnung von experimentellen Bauteilen unter bestimmten Strom-, Helligkeits- und Beschleunigungsbedingungen. Die aktuelle Lebensdauer blauer Bauteile erfüllt noch nicht vollständig die Anforderungen für den Einsatz in massenmarkttauglichen Unterhaltungselektronikprodukten. Die Harzverkapselung beseitigt auch nicht alle Degradationspfade. Das Team untersucht zudem die Integration weiterer Funktionsschichten, um die Lichtausbeute und die Langzeitstabilität weiter zu verbessern.
Der Wert dieser Technologie liegt darin, dass der Verkapselungsschritt relativ einfach ist, kein Neudesign des Quantenpunktmaterials oder eine grundlegende Änderung des QD-LED-Herstellungsprozesses erfordert und somit in bestehende Dünnschicht-Bauteilfertigungsprozesse integriert werden kann. Wenn die Probleme der Langzeitzuverlässigkeit, der Pixelgleichmäßigkeit und der großflächigen Herstellung gelöst werden können, könnte die elektrolumineszierende Quantenpunkttechnologie in Flachbildfernsehern, Smartphones, AR/VR-Headsets, medizinischer Bildgebung und großflächiger Beleuchtung eingesetzt werden und sich möglicherweise auch auf Sensoren und Laser erstrecken.