Genom att inbädda kvantprickar i en isolerande ägglådastruktur, forskare vid Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har demonstrerat en robust ny arkitektur för kvantpunktsljusemitterande enheter (QD-LED).
Kvantprickar är mycket små kristaller som lyser med ljusa, rika färger när de stimuleras av en elektrisk ström. QD-LED förväntas hitta applikationer i tv- och datorskärmar, allmänna ljuskällor, och lasrar.
Tidigare arbete på området hade komplicerats av organiska molekyler som kallas ligander som dinglar från ytan av kvantprickarna. Liganderna spelar en viktig roll i kvantprickbildning, men de kan orsaka funktionsproblem senare.
Tack vare en uppfinningsrik förändring av tekniken som tagits fram av Harvard-teamet, de en gång så besvärliga liganderna kan nu användas för att bygga en mer mångsidig QD-LED-struktur. Den nya enskiktsdesignen, beskrivs i tidskriften Advanced Materials, tål användningen av kemiska behandlingar för att optimera enhetens prestanda för olika applikationer.
"Med kvantprickar, den kemiska miljön som är optimal för tillväxt är vanligtvis inte den miljö som är optimal för funktion, " säger co-rektor utredare Venkatesh Narayanamurti, Benjamin Peirce professor i teknik och offentlig politik vid SEAS.
Kvantprickarna, var och en endast 6 nanometer i diameter, odlas i en lösning som lyser slående under ett svart ljus.
Lösningen av kvantprickar kan avsättas på ytan av elektroderna med hjälp av en rad olika tekniker, men enligt huvudförfattaren Edward Likovich (A.B. '06, S.M. '08, Ph.D. '11), som genomförde forskningen som doktorand i tillämpad fysik vid SEAS, "Det är då det blir komplicerat."
"Prickarnas kärna är ett perfekt gitter av halvledarmaterial, men på utsidan är det mycket stökigare, " säger han. "Prickarna är belagda med ligander, långa organiska kedjor som är nödvändiga för exakt syntes av prickarna i lösning. Men när du väl deponerar kvantprickarna på elektrodytan, samma ligander gör många av de typiska enhetsbearbetningsstegen mycket svåra."
Liganderna kan störa strömledning, och försök att modifiera dem kan få kvantprickarna att smälta samman, förstör de egenskaper som gör dem användbara. Organiska molekyler kan också brytas ned med tiden när de utsätts för UV-strålar.
Forskare skulle vilja kunna använda dessa ligander för att producera kvantprickarna i lösning, samtidigt som ligandernas negativa inverkan på strömledning minimeras.
"QD-teknologierna som har utvecklats hittills är så här stora, tjock, flerskiktsenheter, " säger medförfattaren Rafael Jaramillo, en Ziff Environmental Fellow vid Harvard University Center for the Environment. Jaramillo arbetar i Shriram Ramanathans labb, Docent i materialvetenskap vid SEAS.
"Tills nu, dessa flera lager har varit avgörande för att producera tillräckligt med ljus, men de tillåter inte mycket kontroll över strömledning eller flexibilitet när det gäller kemiska behandlingar. En tunn, enskiktsfilm av kvantprickar är av enormt intresse inom detta område, eftersom det möjliggör så många nya applikationer."
Den nya QD-LED liknar en smörgås, med ett enda aktivt lager av kvantprickar inbäddade i isolering och instängda mellan två keramiska elektroder. För att skapa ljus, ström måste kanaliseras genom kvantprickarna, men prickarna måste också hållas isär från varandra för att fungera.
I en tidig design, vägen för minsta motstånd var mellan kvantprickarna, så den elektriska strömmen gick förbi prickarna och producerade inget ljus.
Genom att överge den traditionella förångningstekniken de hade använt för att applicera isolering på enheten, forskarna använde istället atomlagerdeposition (ALD) – en teknik som involverar vattenstrålar. ALD drar fördel av de vattenresistenta liganderna på kvantprickarna, så när aluminiumoxidisoleringen appliceras på ytan, den fyller selektivt luckorna mellan prickarna, ger en plan yta på toppen.
Den nya strukturen möjliggör effektivare kontroll över flödet av elektrisk ström.
"Att utnyttja dessa hydrofoba ligander gjorde att vi kunde isolera mellanrummen mellan kvantprickarna, skapar i huvudsak en struktur som fungerar som en ägglåda för kvantprickar, säger medförfattaren Kasey Russell (A.B. '02, Ph.D. '09), en postdoktor vid SEAS. "Fördelen är att vi kan kantra ström direkt genom kvantprickarna trots att vi bara har ett enda lager av dem, och eftersom vi har det enda lagret, vi kan tillämpa nya kemiska behandlingar på det, går vidare."
Genom Harvards kontor för teknisk utveckling, Likovich och hans kollegor har ansökt om ett provisoriskt patent på enheten. Utöver de möjliga applikationerna i datorer och TV-skärmar, lampor, och laser, Tekniken skulle en dag kunna användas i fälteffekttransistorer eller solceller.
