I nyt kvantepunkt LED-design, forskere gør besværlige molekyler til deres fordel

Ved at indlejre kvanteprikker i en isolerende ægkassestruktur, forskere ved Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har demonstreret en robust ny arkitektur for quantum-dot light-emitting devices (QD-LED'er).

Kvanteprikker er meget små krystaller, der lyser med lys, rige farver, når de stimuleres af en elektrisk strøm. QD-LED'er forventes at finde applikationer i tv og computerskærme, generelle lyskilder, og lasere.

Tidligere arbejde på området var blevet kompliceret af organiske molekyler kaldet ligander, der dingler fra overfladen af ​​kvanteprikkerne. Liganderne spiller en væsentlig rolle i kvanteprikkerdannelsen, men de kan give funktionelle problemer senere hen.

Takket være en opfindsom ændring i teknik udviklet af Harvard-teamet, de engang så besværlige ligander kan nu bruges til at bygge en mere alsidig QD-LED-struktur. Det nye enkeltlags design, beskrevet i tidsskriftet Advanced Materials, kan modstå brugen af ​​kemiske behandlinger for at optimere enhedens ydeevne til forskellige applikationer.

"Med kvanteprikker, det kemiske miljø, der er optimalt for vækst, er normalt ikke det miljø, der er optimalt for funktion, " siger co-principal investigator Venkatesh Narayanamurti, Benjamin Peirce professor i teknologi og offentlig politik ved SEAS.

Kvanteprikkerne, hver kun 6 nanometer i diameter, dyrkes i en opløsning, der lyser slående under et sort lys.

Opløsningen af ​​kvanteprikker kan deponeres på overfladen af ​​elektroderne ved hjælp af en række teknikker, men ifølge hovedforfatteren Edward Likovich (A.B. '06, S.M. '08, Ph.D. '11), som udførte forskningen som ph.d.-kandidat i anvendt fysik ved SEAS, "Det er når det bliver kompliceret."

"Kernen af ​​prikkerne er et perfekt gitter af halvledermateriale, men udvendigt er det meget mere rodet, " siger han. "Prikkerne er belagt med ligander, lange organiske kæder, der er nødvendige for præcis syntese af prikkerne i opløsning. Men når først du afsætter kvanteprikkerne på elektrodeoverfladen, de samme ligander gør mange af de typiske enhedsbehandlingstrin meget vanskelige."

Ligander kan interferere med strømledning, og forsøg på at ændre dem kan få kvanteprikkerne til at smelte sammen, ødelægger de egenskaber, der gør dem nyttige. Organiske molekyler kan også nedbrydes over tid, når de udsættes for UV-stråler.

Forskere vil gerne være i stand til at bruge disse ligander til at producere kvanteprikkerne i opløsning, samtidig med at den negative indvirkning af liganderne på strømledning minimeres.

"QD-teknologierne, der er blevet udviklet indtil videre, er så store, tyk, flerlags enheder, " siger medforfatter Rafael Jaramillo, en Ziff Environmental Fellow ved Harvard University Center for the Environment. Jaramillo arbejder i laboratoriet hos Shriram Ramanathan, Lektor i materialevidenskab ved SEAS.

"Indtil nu, disse flere lag har været afgørende for at producere nok lys, men de tillader ikke meget kontrol over strømledning eller fleksibilitet med hensyn til kemiske behandlinger. En tynd, monolag film af kvanteprikker er af enorm interesse på dette område, fordi det muliggør så mange nye applikationer."

Den nye QD-LED ligner en sandwich, med et enkelt aktivt lag af kvanteprikker indlejret i isolering og fanget mellem to keramiske elektroder. For at skabe lys, strømmen skal ledes gennem kvantepunkterne, men prikkerne skal også holdes adskilt fra hinanden for at fungere.

I et tidligt design, den mindste modstands vej var mellem kvantepunkterne, så den elektriske strøm gik uden om prikkerne og producerede intet lys.

Ved at opgive den traditionelle fordampningsteknik, de havde brugt til at påføre isolering på enheden, forskerne brugte i stedet atomisk lagaflejring (ALD) - en teknik, der involverer vandstråler. ALD udnytter de vandresistente ligander på kvanteprikkerne, så når aluminiumoxidisoleringen påføres overfladen, det udfylder selektivt hullerne mellem prikkerne, giver en flad overflade på toppen.

Den nye struktur tillader mere effektiv kontrol over strømmen af ​​elektrisk strøm.

"At udnytte disse hydrofobe ligander gjorde det muligt for os at isolere mellemrummene mellem kvanteprikkerne, i det væsentlige at skabe en struktur, der fungerer som en ægkasse for kvanteprikker, siger medforfatter Kasey Russell (A.B. '02, Ph.D. '09), en postdoc ved SEAS. "Fordelen er, at vi kan lede strøm direkte gennem kvanteprikkerne på trods af, at vi kun har et enkelt lag af dem, og fordi vi har det enkelt lag, vi kan anvende nye kemiske behandlinger til det, Bevæger sig fremad."

Gennem Harvards kontor for teknologiudvikling, Likovich og hans kolleger har ansøgt om et foreløbigt patent på enheden. Ud over de mulige applikationer i computer- og tv-skærme, lys, og lasere, teknologien kunne en dag bruges i felteffekttransistorer eller solceller.