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Plättchen statt Kügelchen: Energieeffizientere QLED-Bildschirme

QLEDs bestehen aus kugelförmigen Halbleiter-Nanokristallen, die tolle Farben erzeugen, aber hohe Streuverluste aufweisen. Forscher der ETH Zürich haben nun Lichtquellen hergestellt, die erheblich sparsamer sind, weil sie Licht fokussiert nur in die Richtung des Betrachters aussenden.

Eine mit mehreren Lagen extrem dünner Halbleiter-Nanoplättchen beschichtete Glasscheibe, die mit UV-Licht beschienen wird und blaues Licht aussendet. Bildquelle: © ETH Zürich / Jakub Jagielski

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

Die noch recht junge Quantenpunkt-Leuchtdioden (QLED)-Technologie erzeugt helle und intensive Farben. Kugelförmige Halbleiter-Nanokristalle werden hierfür von hinten durch UV-Licht angeregt, die es in Licht im sichtbaren Frequenzbereich umwandeln. Der Nachteil ist, dass nur etwa ein Fünftel des erzeugten Lichts nach vorne für den Beobachter sichtbar austritt, der Rest geht als Streuverlust verloren.

Nanokristalle, die Licht nur in die gewünschte Richtung emittieren, gibt es: Sie sind plättchenförmig und nicht kugelförmig, senden in einer Lage angeordnet aber ein nur relativ schwaches Licht aus. Deshalb 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 in alle Richtungen ausgesandt.

Forscher unter Leitung von Chih-Jen Shih, Professor für technische Chemie an der ETH Zürich, haben extrem dünne Halbleiterplättchen (2,4 Nanometer) 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. 

Die Forscher können Lichtquellen für blaues, grünes, gelbes und oranges Licht herstellen. Die für Bildschirme ebenfalls nötige rote Farbkomponente lässt sich derzeit noch nicht mit der neuen Technologie realisieren. 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. Ein zusätzlicher Vorteil der neuen Technologie ist, dass die gestapelten QLEDs sehr einfach in einem einzigen Schritt herzustellen sind.