Согласно сообщениям, недавно Массачусетский технологический институт (США) совместно с Исследовательским институтом передовых технологий Samsung (Южная Корея) разработали метод инкапсуляции акриловой смолой, который значительно продлевает срок службы безкадмиевых светодиодов на квантовых точках. В частности, срок службы синих QD-LED после пересчета в тестовых условиях увеличился более чем в 5000 раз. Исследовательская группа также выявила ключевую причину выхода устройств из строя: активные виды водорода и кислорода, образующиеся и мигрирующие в процессе подачи тока, постепенно изменяют микроструктуру квантовых точек и соседних функциональных слоев. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Данное исследование не касается «экранов с квантово-точечной подсветкой», распространенных на современном телевизионном рынке. В некоторых существующих QLED-телевизорах подсветка по-прежнему обеспечивается традиционными светодиодами, а квантовые точки в основном отвечают за поглощение и преобразование света. В QD-LED электроны и дырки напрямую инжектируются в излучающий слой квантовых точек, которые сами генерируют красный, зеленый и синий свет. Преимуществами являются более узкий спектр излучения, более высокая чистота цвета, а также возможность дальнейшего упрощения структуры устройства и его применения в гибких и крупноформатных дисплеях.
Основным препятствием для коммерциализации QD-LED является срок службы, особенно для синих устройств. Энергия синих фотонов выше, чем у красных и зеленых, что предъявляет более высокие требования к материалу квантовых точек, структуре интерфейсов и балансу зарядов. Испытания Массачусетского технологического института показали, что стабильность синих QD-LED примерно в 50–100 раз ниже, чем у красных и зеленых устройств. При использовании таких устройств в полноцветных дисплеях синие субпиксели могут деградировать первыми, вызывая искажение цветов и снижение яркости экрана.
Изготовленные исследовательской группой устройства состоят из нескольких слоев наноматериалов. Базовая структура включает электрод из оксида индия-олова, слой инжекции дырок, слой транспорта дырок, излучающий слой квантовых точек, слой транспорта электронов из наночастиц оксида цинка-магния и алюминиевый электрод. В красных устройствах используются квантовые точки с ядром InP и оболочкой ZnSe/ZnS, а в синих — квантовые точки ZnTeSe/ZnSe/ZnS. Вся излучающая область имеет толщину всего в несколько нанометров, и любое утоньшение, агломерация частиц или миграция элементов в любом из слоев может нарушить баланс инжекции электронов и дырок.
Чтобы понять, что именно происходит внутри устройства, исследователи использовали сфокусированный ионный пучок для нарезки QD-LED на поперечные срезы толщиной менее 200 нанометров, а затем сравнили новые и состаренные устройства с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Результаты показали, что после непрерывной подачи тока в слое транспорта электронов, излучающем слое квантовых точек и органическом слое транспорта дырок наблюдается уплотнение и уменьшение толщины. Изначально раздельные наночастицы постепенно укрупняются и агломерируются, а некоторые квантовые точки теряют свои первоначальные очертания.
Эта деградация не является просто «перегоранием» материала. Элементный анализ показал, что во время работы устройства появляются активные виды водорода и кислорода, которые диффундируют между различными функциональными слоями, причем кислород накапливается на границе раздела алюминиевого электрода и слоя транспорта электронов из оксида цинка-магния. Эксперименты in situ в просвечивающем электронном микроскопе дополнительно подтвердили, что в присутствии активных видов водорода скорость укрупнения наночастиц оксида цинка-магния увеличивается. После изменения структуры частиц изменяются пути транспорта электронов и энергетические уровни на границах раздела, что приводит к дисбалансу количества электронов и дырок, получаемых квантовыми точками, увеличению безызлучательной рекомбинации и, в конечном итоге, к снижению яркости и эффективности.
Функция инкапсуляции акриловой смолой заключается не в создании дополнительного защитного слоя для самих квантовых точек, а в изменении химической среды внутри устройства путем размещения смолы между электродом и герметизирующим стеклом после завершения изготовления устройства. Экспериментальные результаты показывают, что смола может подавлять образование и миграцию активных видов водорода и кислорода, уменьшать укрупнение частиц в слое транспорта электронов и слое квантовых точек, а также предотвращать дальнейшее утоньшение многослойной структуры. Исследовательская группа полагает, что смола также может препятствовать образованию влаги в газовой среде внутри устройства, а влага является одним из важных факторов, вызывающих деградацию материала.
Тестирование срока службы проводилось с использованием показателя LT50, то есть времени работы, необходимого для снижения яркости устройства до 50% от начального значения. LT50 синего устройства без инкапсуляции смолой составил всего 0,2 часа, а после инкапсуляции достиг 115,5 часов, причем начальная яркость инкапсулированного устройства во время тестирования была выше. Исследователи, используя коэффициент ускорения яркости, пересчитали обе группы данных к 100 кандел на квадратный метр и получили увеличение срока службы более чем в 5000 раз. LT50 красного устройства увеличился с 22,1 часа до 189,9 часов, то есть примерно в 8 раз.
«Увеличение в 5000 раз» не следует напрямую понимать как продление срока службы телевизора в 5000 раз. Эта цифра получена в результате пересчета для экспериментальных устройств при определенных условиях тока, яркости и ускорения. Текущий срок службы синих устройств все еще не полностью соответствует требованиям для использования в массовой потребительской электронике. Инкапсуляция смолой также не устраняет все пути деградации, и команда продолжает исследовать возможность добавления других функциональных слоев для дальнейшего повышения эффективности излучения и долгосрочной стабильности.
Ценность этой технологии заключается в том, что этап инкапсуляции относительно прост, не требует перепроектирования материала квантовых точек или полного изменения производственного процесса QD-LED и может быть интегрирован в существующие процессы изготовления тонкопленочных устройств. Если в будущем удастся решить проблемы долгосрочной надежности, однородности пикселей и крупноформатного производства, технология электролюминесцентных квантовых точек может быть использована в плоских телевизорах, смартфонах, гарнитурах AR/VR, медицинской визуализации и крупноформатном освещении, а также может найти применение в датчиках и лазерах.