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Plättchen statt Kügelchen machen Bildschirme sparsam

ETH Zürich / Jakub Jagielski

Eine mit mehreren Lagen extrem dünner Halbleiter-​Nanoplättchen beschichtete Glasscheibe, die mit UV-​Licht beschienen wird und blaues Licht aussendet.

23.01.2020: ETH-​Wissenschaftler haben die QLED-​Technologie für Bildschirme weiterentwickelt. Sie stellten Lichtquellen her, die zum ersten Mal Licht in hoher Intensität in nur eine Richtung ausstrahlen. Dies verringert Streuverluste, was die Technologie äusserst energieeffizient macht.

Seit wenigen Jahren gibt es QLED-​Bildschirme zu kaufen. Sie sind bekannt für ihre hellen, intensiven Farben, welche mit der sogenannten Quantenpunkt-​Technologie erzeugt werden. QLED steht für Quantenpunkt-​Leuchtdiode. Forscher der ETH Zürich haben nun eine Technologie entwickelt, welche die Energieeffizienz der QLEDs erhöht. Die Wissenschaftler erreichten dies, indem sie die Streuverluste des Lichts im Innern der Dioden minimierten. Damit tritt ein grösserer Anteil des erzeugten Lichts nach aussen.

Konventionelle QLEDs bestehen aus einer Vielzahl von kugelförmigen Halbleiter-​Nanokristallen, die auch Quantenpunkte genannt werden. In einem Bildschirm werden diese Nanokristalle von hinten mit UV-​Licht angeregt. Die Kristalle wandeln dieses in farbiges Licht im sichtbaren Bereich um. Je nach Materialzusammensetzung des Nanokristalls entsteht eine andere Farbe.

Allerdings streuen diese kugelförmigen Nanokristalle das erzeugte Licht im Innern des Bildschirms auf alle Seiten. Nur rund ein Fünftel des erzeugten Lichts tritt aus und ist für den Betrachter sichtbar. Um die Energieeffizienz der Technologie zu erhöhen, versuchen Wissenschaftler seit Jahren, Nanokristalle zu entwickeln, die Licht nur in eine Richtung (nach vorne, zum Betrachter hin) abgeben. Die ersten solchen Lichtquellen existieren auch bereits. Sie bestehen nicht aus kugelförmigen Kristallen, sondern aus ultradünnen Nanoplättchen. Diese emittierten Licht nur in eine Richtung – rechtwinklig zur Plättchenebene.

Werden diese Nanoplättchen nebeneinander in einer Schicht angeordnet, erzeugen sie ein verhältnismässig schwaches Licht, das für Bildschirme nicht ausreicht. Um die Lichtintensität zu erhöhen, verfolgen Wissenschaftler den Ansatz, mehrere Schichten solcher Plättchen übereinander zu legen. Dabei beginnen die Plättchen jedoch miteinander zu wechselwirken, und das Licht wird wiederum nicht nur in eine Richtung, sondern auf alle Seiten ausgesandt.

Gestapelt und voneinander isoliert

Die Forscher unter der Leitung von Chih-​Jen Shih, Professor für technische Chemie an der ETH Zürich, haben nun extrem (2,4 Nanometer) dünne Halbleiterplättchen so gestapelt, dass sie durch eine noch dünnere (0,65 Nanometer) Isolierschicht aus organischen Molekülen voneinander getrennt sind. Diese Schicht unterbindet quantenphysikalische Wechselwirkungen, wodurch die Plättchen auch in gestapelter Anordnung Licht überwiegend in nur eine Richtung emittieren.

«Je mehr Plättchen wir übereinanderstapeln, desto intensiver wird dabei das Licht. Wir können so die Lichtintensität beeinflussen, ohne dabei die bevorzugte Emissionsrichtung zu verlieren», sagt Jakub Jagielski, Doktorand in Shihs Gruppe und Erstautor der in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichen Fachpublikation. Die Wissenschaftler haben damit zum ersten Mal ein Material hergestellt, das Licht in hoher Intensität in nur eine Richtung emittiert.

Sehr energieeffizientes blaues Licht

Die Forscher konnten damit Lichtquellen für blaues, grünes, gelbes und oranges Licht herstellen. Die für Bildschirme ebenfalls nötige rote Farbkomponente lässt sich laut den Wissenschaftlern derzeit noch nicht mit der neuen Technologie realisieren.

Für das neu geschaffene blaue Licht gilt: Statt einem Fünftel des erzeugten Lichts wie bei der herkömmlichen QLED-​Technologie erreichen nun rund zwei Fünftel davon das Auge des Betrachters. «Das heisst, um Licht mit einer bestimmten Intensität zu erzeugen, benötigen wir mit unserer Technologie im Vergleich zur herkömmlichen QLED-​Technologie nur halb so viel Energie», sagt ETH-​Professor Shih. Bei anderen Farben ist der Effizienzgewinn derzeit allerdings noch kleiner. Die Wissenschaftler versuchen daher in weiterer Forschungsarbeit, diesen auch dort zu erhöhen.

Im Vergleich zu herkömmlichen LEDs hat die neue Technologie einen weiteren Vorteil, wie die Wissenschaftler betonen: Die neuartigen gestapelten QLEDs sind sehr einfach in einem einzigen Schritt herzustellen. Bei herkömmlichen LEDs ist es ebenfalls möglich, die Intensität zu erhöhen, indem mehrere lichtemittierende Schichten übereinander angeordnet werden. Deren Herstellung erfolgt allerdings Schicht für Schicht und ist entsprechend aufwendiger.

Originalveröffentlichung:
Jagielski J, Solari SF, Jordan L, Scullion D, Blülle B, Li YT, Krumeich F, Chiu YC, Ruhstaller B, Santos EJG, Shih CJ; "Scalable photonic sources using two-​dimensional lead halide perovskite superlattices"; Nature Communications; 2020

Fakten, Hintergründe, Dossiers

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  • QLEDs
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