Нанотехнологии повышают производительность LED на квантовых точках

К впечатляющим достижениям в области светоизлучающих диодов на квантовых точках (QD-LED) может привести недавняя работа, выполненная командой из Лос-Аламосской национальной лаборатории.

Квантовые точки – это наноразмерные полупроводниковые частицы, цвет излучения которых может быть настроен простым изменением их размеров. Они имеют почти одинаковый квантовый выход и узкие полосы излучения, что приводит к исключительной чистоте цвета. Новое исследование ставит своей целью улучшить QD-LED с помощью нового поколения квантовых точек, специально разработанных для снижения бесполезного взаимодействия носителей заряда, которое конкурируют с генерацией света.

«QD-LED потенциально могут обеспечить множество преимуществ по сравнению со стандартными технологиями освещения, такими как лампы накаливания, особенно по таким характеристикам, как эффективность, срок эксплуатации и качество цвета излучения», - сказал Виктор Климов из Лос-Аламоса.

Лампы накаливания, которые преобразуют в свет только 10 % электрической энергии, а 90 % - в тепло, быстро заменяются по всему миру менее расточительными люминесцентными источниками света. Тем не менее, наиболее эффективным подходом к освещению является прямое преобразование электроэнергии в свет с помощью электролюминесцентных устройств, таких как светодиоды.

Благодаря спектрально узкому настраиваемому излучению и легкости изготовления коллоидные квантовые точки являются привлекательными материалами для светодиодных технологий. В последнее десятилетие, энергичные исследования в области QD-LED привело к значительным улучшениям в их производительности, до уровня, где они почти соответствует требованиям для коммерческих продуктов. Одна из значительных проблем в этой области является так называемая эффективность спада (известная также как «спад»), то есть, падение эффективности при больших токах. Эта проблема осложняет достижение уровней яркости, необходимой для практического освещения.

Проводя спектроскопические исследования особенностей функционирования QD-LED, исследователи из Лос-Аламоса установили, что основным фактором, ответственным за снижение эффективности, является рекомбинации Оже. В этом процессе, вместо излучения фотона, энергия рекомбинации возбужденного электрона и дырки передается избыточному заряду, а затем рассеивается в виде тепла.

Эта работа не только определила механизм снижения эффективности QD-LED, но также продемонстрировала две различные наноинженерные стратегии для обхода проблемы для QD-LED на основе квантовых точек из селенида кадмия в качестве ядер, покрытых оболочкой из сульфида кадмия.

Первый подход состоит в снижении эффективности самой рекомбинации Оже, что может быть сделано путем включения тонкого слоя сплава селенида кадмия сульфида на границе раздела ядро/оболочка каждой квантовой точки.

Другой подход решает проблему дисбаланса заряда посредством лучшего управления потоком дополнительных электронов в самих точках. Это может быть достигнуто путем покрытия каждой точки тонким слоем сульфида цинка кадмия, которые селективно препятствует инжекции электронов. По словам Джеффри Пиетрига (Jeffrey Pietryga), химика в команде нанотехнологов, эта тонкая настройка инжекционных токов электронов и дырок поможет поддерживать точки в зарядово-нейтральном состоянии и таким образом предотвратить активацию рекомбинации Оже.

Структура устройства на квантовых точках, полученная с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), отображает поперечное сечение реального устройства