Doorbraak in blue quantum dot-technologie

Er zijn veel dingen die kwantumstippen kunnen doen, maar de meest voor de hand liggende plaats waar ze ons leven kunnen veranderen, is door de kleuren op onze tv’s en schermen zuiverder te maken. Onderzoek met behulp van de Canadese lichtbron (CLS) aan de Universiteit van Saskatchewan helpt deze technologie dichter bij onze huiskamers te brengen.

Quantum dots zijn nanokristallen die gloeien, een eigenschap waarmee wetenschappers hebben gewerkt om de volgende generatie LED’s te ontwikkelen. Wanneer een kwantumdot gloeit, creëert het heel puur licht in een precieze golflengte van rood, blauw of groen. Conventionele LED’s, die tegenwoordig in onze tv-schermen worden aangetroffen, produceren wit licht dat wordt gefilterd om de gewenste kleuren te bereiken, een proces dat leidt tot minder heldere en troebele kleuren.

Tot nu toe bleken blauwgloeiende kwantumstippen, die cruciaal zijn voor het creëren van een volledig kleurengamma, bijzonder uitdagend voor onderzoekers om te ontwikkelen. Onderzoeker Dr.Yitong Dong van de Universiteit van Toronto (U of T) en medewerkers hebben echter een enorme sprong gemaakt in blauwe kwantumdotfluorescentie, resultaten die ze onlangs publiceerden in Natuur Nanotechnologie.

“Het idee is dat als je een blauwe LED hebt, je alles hebt. We kunnen het licht altijd naar beneden omzetten van blauw naar groen en rood”, zegt Dong. “Laten we zeggen dat je groen hebt, dan kun je dit licht met lagere energie niet gebruiken om blauw te maken.”

De doorbraak van het team heeft geleid tot kwantumstippen die groen licht produceren bij een externe kwantumefficiëntie (EQE) van 22% en blauw met 12,3%. De theoretische maximale efficiëntie is niet ver verwijderd van 25%, en dit is de eerste blauwe perovskiet-LED die naar verluidt een EQE van meer dan 10% behaalt.

De wetenschap

Dong werkt al twee jaar op het gebied van kwantumstippen in de onderzoeksgroep van Dr. Edward Sargent aan de U of T. Deze verbazingwekkende toename in efficiëntie kostte tijd, een ongebruikelijke productieaanpak en het overwinnen van verschillende wetenschappelijke hindernissen.

CLS-technieken, met name GIWAXS op de HXMA-bundellijn, stelden de onderzoekers in staat de structuren te verifiëren die in hun kwantumdotfilms waren bereikt. Dit bevestigde hun resultaten en hielp verduidelijken wat de structurele veranderingen bereiken in termen van LED-prestaties.

“De CLS was erg behulpzaam. GIWAXS is een fascinerende techniek”, zegt Dong.

De eerste uitdaging was uniformiteit, belangrijk om te zorgen voor een helderblauwe kleur en om te voorkomen dat de LED richting groen licht gaat.

“We gebruikten een speciale synthetische benadering om een ​​zeer uniforme assemblage te bereiken, zodat elk deeltje dezelfde grootte en vorm heeft. De algehele film is bijna perfect en handhaaft de blauwe emissieomstandigheden helemaal”, zegt Dong.

Vervolgens moest het team de ladingsinjectie aanpakken die nodig was om de stippen in luminescentie te prikkelen. Omdat de kristallen niet erg stabiel zijn, hebben ze stabiliserende moleculen nodig om als steiger te fungeren en ze te ondersteunen. Dit zijn meestal lange molecuulketens, met tot 18 koolstof-niet-geleidende moleculen aan het oppervlak, waardoor het moeilijk is om de energie te krijgen om licht te produceren.

“We gebruikten een speciale oppervlaktestructuur om de quantumdots te stabiliseren. Vergeleken met films gemaakt met quantumdots met lange keten moleculen, heeft onze film een ​​100 keer hoger geleidingsvermogen, soms zelfs 1000 keer hoger.”

Deze opmerkelijke prestatie is een belangrijke maatstaf bij het op de markt brengen van deze nanokristallen-LED’s. Stabiliteit blijft echter een probleem en kwantumdot-leds hebben een korte levensduur. Dong is enthousiast over het potentieel van het veld en voegt eraan toe: “Ik hou van fotonen, dit zijn interessante materialen, en deze gloeiende kristallen zijn gewoon prachtig.”