Door kwantumstippen in een isolerende eierkiststructuur te nestelen, onderzoekers van de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben een robuuste nieuwe architectuur gedemonstreerd voor quantum-dot light-emitting devices (QD-LED's).

Quantum dots zijn zeer kleine kristallen die gloeien met heldere, rijke kleuren wanneer gestimuleerd door een elektrische stroom. Van QD-LED's wordt verwacht dat ze toepassingen zullen vinden in televisie- en computerschermen, algemene lichtbronnen, en lasers.

Eerder werk in het veld was gecompliceerd door organische moleculen, liganden genaamd, die aan het oppervlak van de kwantumstippen bungelen. De liganden spelen een essentiële rol bij de vorming van kwantumdots, maar ze kunnen later functionele problemen veroorzaken.

Dankzij een inventieve verandering in techniek bedacht door het Harvard-team, de eens zo lastige liganden kunnen nu worden gebruikt om een ​​meer veelzijdige QD-LED-structuur te bouwen. Het nieuwe enkellaagse ontwerp, beschreven in het tijdschrift Advanced Materials, is bestand tegen het gebruik van chemische behandelingen om de prestaties van het apparaat voor diverse toepassingen te optimaliseren.

"Met kwantumstippen, de chemische omgeving die optimaal is voor groei is meestal niet de omgeving die optimaal is voor functie, " zegt co-hoofdonderzoeker Venkatesh Narayanamurti, Benjamin Peirce hoogleraar technologie en openbaar beleid bij SEAS.

De kwantumstippen, elk slechts 6 nanometer in diameter, worden gekweekt in een oplossing die opvallend gloeit onder een zwart licht.

De oplossing van kwantumdots kan met verschillende technieken op het oppervlak van de elektroden worden aangebracht, maar volgens hoofdauteur Edward Likovich (A.B. '06, SM '08, doctoraat '11), die het onderzoek heeft uitgevoerd als promovendus in de toegepaste natuurkunde bij SEAS, "Dan wordt het ingewikkeld."

"De kern van de stippen is een perfect rooster van halfgeleidermateriaal, maar aan de buitenkant is het een stuk rommeliger, "zegt hij. "De stippen zijn bedekt met liganden, lange organische ketens die nodig zijn voor een nauwkeurige synthese van de stippen in oplossing. Maar als je de kwantumdots eenmaal op het elektrodeoppervlak hebt afgezet, deze zelfde liganden maken veel van de typische apparaatverwerkingsstappen erg moeilijk."

De liganden kunnen de stroomgeleiding verstoren, en pogingen om ze te wijzigen, kunnen ervoor zorgen dat de kwantumstippen samensmelten, het vernietigen van de eigenschappen die ze nuttig maken. Organische moleculen kunnen ook na verloop van tijd afbreken wanneer ze worden blootgesteld aan UV-stralen.

Onderzoekers willen die liganden kunnen gebruiken om de kwantumstippen in oplossing te produceren, terwijl de negatieve invloed van de liganden op de stroomgeleiding wordt geminimaliseerd.

"De QD-technologieën die tot nu toe zijn ontwikkeld, zijn zo groot, dik, meerlagige apparaten, " zegt co-auteur Rafael Jaramillo, een Ziff Environmental Fellow aan het Harvard University Center for the Environment. Jaramillo werkt in het lab van Shriram Ramanathan, Universitair hoofddocent materiaalkunde bij SEAS.

"Tot nu, die meerdere lagen zijn essentieel geweest voor het produceren van voldoende licht, maar ze bieden niet veel controle over de stroomgeleiding of flexibiliteit in termen van chemische behandelingen. een dunne, monolaagfilm van kwantumstippen is van enorm belang op dit gebied, omdat het zoveel nieuwe toepassingen mogelijk maakt."

De nieuwe QD-LED lijkt op een sandwich, met een enkele actieve laag kwantumdots genesteld in isolatie en opgesloten tussen twee keramische elektroden. Om licht te creëren, stroom moet door de kwantumstippen worden geleid, maar de puntjes moeten ook uit elkaar worden gehouden om te kunnen functioneren.

In een vroeg ontwerp de weg van de minste weerstand was tussen de kwantumstippen, dus de elektrische stroom omzeilde de stippen en produceerde geen licht.

Het verlaten van de traditionele verdampingstechniek die ze hadden gebruikt om isolatie op het apparaat aan te brengen, de onderzoekers gebruikten in plaats daarvan atomaire laagafzetting (ALD) - een techniek waarbij waterstralen worden gebruikt. ALD maakt gebruik van de waterbestendige liganden op de kwantumstippen, dus wanneer de aluminiumoxide-isolatie op het oppervlak wordt aangebracht, het vult selectief de gaten tussen de stippen, waardoor een plat oppervlak aan de bovenkant ontstaat.

De nieuwe structuur maakt een effectievere controle over de stroom van elektrische stroom mogelijk.

"Door deze hydrofobe liganden te benutten, konden we de tussenruimten tussen de kwantumstippen isoleren, in wezen een structuur creëren die fungeert als een eierkist voor kwantumstippen, " zegt co-auteur Kasey Russell (A.B. '02, doctoraat '09), een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS. "Het voordeel is dat we de stroom rechtstreeks door de kwantumstippen kunnen leiden, ondanks dat we er maar een enkele laag van hebben, en omdat we die enkele laag hebben, we kunnen er nieuwe chemische behandelingen op toepassen, vooruit gaan."

Via Harvard's Office of Technology Development, Likovich en zijn collega's hebben een voorlopig patent aangevraagd op het apparaat. Naast de mogelijke toepassingen in computer- en tv-schermen, lichten, en lasers, de technologie zou ooit kunnen worden gebruikt in veldeffecttransistors of zonnecellen.