09.06.2021 - University of Cambridge

Atom-Swapping könnte zu ultrahellen, flexiblen LEDs der nächsten Generation führen

Eine internationale Forschergruppe hat eine neue Technik entwickelt, mit der sich effizientere und kostengünstigere lichtemittierende Materialien herstellen lassen, die flexibel sind und mit Tintenstrahltechniken gedruckt werden können.

Die von der University of Cambridge und der Technischen Universität München geleiteten Forscher fanden heraus, dass sie durch den Austausch eines von tausend Atomen eines Materials gegen ein anderes die Lumineszenz einer neuen Materialklasse von Lichtemittern, den sogenannten Halogenid-Perowskiten, verdreifachen konnten.

Dieser "Atomtausch" oder die Dotierung bewirkt, dass die Ladungsträger in einem bestimmten Teil der Kristallstruktur des Materials hängen bleiben, wo sie rekombinieren und Licht emittieren. Die Ergebnisse, über die im Journal of the American Chemical Society berichtet wird, könnten für kostengünstige druckbare und flexible LED-Beleuchtungen, Displays für Smartphones oder billige Laser nützlich sein.

Viele alltägliche Anwendungen nutzen heute lichtemittierende Bauelemente (LEDs), wie z.B. Haushalts- und kommerzielle Beleuchtung, TV-Bildschirme, Smartphones und Laptops. Der Hauptvorteil von LEDs ist, dass sie weit weniger Energie verbrauchen als ältere Technologien.

Letztlich wird auch die gesamte weltweite Kommunikation über das Internet durch optische Signale von sehr hellen Lichtquellen angetrieben, die in Glasfasern Informationen mit Lichtgeschwindigkeit über den Globus transportieren.

Das Team untersuchte eine neue Klasse von Halbleitern, so genannte Halogenidperowskite, in Form von Nanokristallen, die nur etwa ein Zehntausendstel der Dicke eines menschlichen Haares messen. Diese "Quantenpunkte" sind stark leuchtende Materialien: Die ersten hochbrillanten QLED-Fernseher, die Quantenpunkte enthalten, kamen kürzlich auf den Markt.

Die Cambridge-Forscher haben nun in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Daniel Congreve in Harvard, die Experten für die Herstellung von Quantenpunkten sind, die Lichtemission dieser Nanokristalle stark verbessert. Sie ersetzten eines von tausend Atomen durch ein anderes - tauschten Blei gegen Mangan-Ionen - und stellten fest, dass sich die Lumineszenz der Quantenpunkte verdreifachte.

Eine detaillierte Untersuchung mittels Laserspektroskopie deckte den Ursprung dieser Beobachtung auf. "Wir fanden heraus, dass sich die Ladungen in den Regionen der Kristalle, die wir dotiert haben, zusammen sammeln", sagt Sascha Feldmann vom Cavendish Laboratory in Cambridge, Erstautor der Studie. "Einmal lokalisiert, können sich diese energetischen Ladungen treffen und rekombinieren, um auf sehr effiziente Weise Licht zu emittieren."

"Wir hoffen, dass diese faszinierende Entdeckung, dass selbst kleinste Veränderungen der chemischen Zusammensetzung die Materialeigenschaften stark verbessern können, in naher Zukunft den Weg zu billigen und ultrahellen LED-Displays und Lasern ebnen wird", sagt Seniorautor Felix Deschler, der gemeinsam am Cavendish und am Walter-Schottky-Institut der Technischen Universität München tätig ist.

Für die Zukunft hoffen die Forscher, noch effizientere Dotierstoffe zu identifizieren, die helfen, diese fortschrittlichen Lichttechnologien für jeden Teil der Welt zugänglich zu machen.

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