Учёные MIT в 5000 раз увеличили срок службы синих квантовых светодиодов

Квантовые точки уже подарили современным телевизорам более насыщенные цвета, однако следующему поколению дисплеев до сих пор мешала одна серьёзная проблема — крайне малый срок службы электрически возбуждаемых квантовых светодиодов (QD-LED). Теперь исследователи из MIT совместно со специалистами Samsung SAIT предложили простое решение, способное кардинально изменить ситуацию.

В опубликованной в журнале Science Advances работе учёные показали, что инкапсуляция QD-LED тонким слоем акрилатной смолы существенно замедляет деградацию устройства. Для синих квантовых светодиодов, считавшихся главным препятствием для коммерциализации технологии, срок службы увеличился более чем в 5000 раз, а для красных — примерно в восемь раз.

Почему QD-LED считаются технологией будущего

В отличие от традиционных LED и OLED, квантовые точки представляют собой полупроводниковые нанокристаллы с точно заданными размерами, которые излучают исключительно чистый свет определённой длины волны. Благодаря этому дисплеи способны отображать более широкий цветовой охват, высокую яркость и потреблять меньше энергии.

Сегодня квантовые точки уже используются в телевизорах семейства QLED, однако в этих устройствах они работают как преобразователи света. Гораздо более перспективной считается технология электрически возбуждаемых QD-LED, где сами квантовые точки становятся источником излучения. Это позволяет отказаться от части конструктивных элементов дисплея, упростить производство и повысить энергоэффективность.

Однако коммерческое внедрение тормозилось из-за быстрого разрушения прежде всего синих QD-LED.

Что происходит внутри светодиода

Чтобы выяснить причины деградации, исследователи разработали методику подготовки сверхтонких поперечных срезов работающих светодиодов и изучили их с помощью электронных микроскопов в центре MIT.nano.

Оказалось, что во время эксплуатации функциональные слои синего QD-LED постепенно истончаются и меняют структуру. Сами квантовые точки начинают сливаться друг с другом, теряя первоначальную форму и оптические свойства. Анализ также выявил накопление водорода и кислорода, ускоряющих разрушение материалов.

Именно эти процессы существенно сокращали ресурс устройств.

Простое решение оказалось очень эффективным

Учёные применили сравнительно простую технологию — покрыли QD-LED слоем акрилатной смолы. Такая инкапсуляция препятствует проникновению влаги и подавляет выделение газов, которые вызывают деградацию внутренних слоёв.

Результат оказался впечатляющим:

• срок службы синих QD-LED вырос более чем в 5000 раз;
• ресурс красных QD-LED увеличился примерно в восемь раз;
• технология не требует сложного оборудования и подходит для масштабного промышленного производства.

Хотя смола устраняет не все механизмы деградации, исследователи считают её важнейшим шагом на пути к коммерческому использованию технологии.

От Нобелевской премии к новым дисплеям

Работа продолжает исследования профессора Мунги Бавенди, получившего Нобелевскую премию по химии 2023 года за открытие и разработку квантовых точек. Совместно с профессором Владимиром Буловичем команда MIT занимается развитием QD-LED уже более двух десятилетий.

Именно эти исследования ранее привели к созданию компании QD Vision, которая первой вывела квантовые точки на рынок дисплеев. В 2016 году стартап приобрела Samsung, использовав его разработки в линейке телевизоров QLED.

Перспективы

Следующим этапом станет поиск дополнительных способов защиты внутренних слоёв QD-LED, что позволит ещё сильнее увеличить срок службы устройств.

Если эти задачи удастся решить, электрически возбуждаемые квантовые светодиоды смогут использоваться не только в телевизорах, смартфонах и гарнитурах дополненной и виртуальной реальности, но и в системах общего освещения, медицинской визуализации, лазерах, оптических датчиках и других фотонных устройствах.

Разработка показывает, что иногда ключевой технологический прорыв может быть связан не с созданием новых материалов, а с неожиданно простым способом защитить уже существующие наноструктуры.