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Un percorso economico per LED robusti
I diodi organici a emissione di luce (OLED) si stanno facendo strada costantemente nei dispositivi commerciali come telefoni cellulari e display a schermo piatto. Sono fabbricati con strati di polimeri organici, che li rendono flessibili, e utilizzano meno energia e materiali meno costosi rispetto ai display a cristalli liquidi.
Luce rossa: I ricercatori del MIT hanno trovato un modo potenzialmente economico per realizzare LED ibridi più robusti. L'immagine mostra un piccolo campione di punti quantici rossi stratificati con un polimero elettricamente conduttore su un substrato di vetro realizzato utilizzando la nuova tecnica di fabbricazione.
Il rovescio della medaglia è che poiché i polimeri reagiscono facilmente con ossigeno e acqua, gli OLED sono costosi da produrre (devono essere creati in camere ad alto vuoto) e hanno bisogno di strati di imballaggio protettivi extra per assicurarsi che una volta integrati nei dispositivi di visualizzazione , non si degradano se esposti all'aria o all'umidità.
Professore di ingegneria chimica al MIT Karen Gleason e il postdoc del MIT Sreeram Vaddiraju hanno sviluppato un processo che mira a risolvere i problemi degli alti costi di fabbricazione e dell'instabilità per gli OLED pur mantenendo la loro flessibilità. La soluzione di Gleason è un diodo ibrido a emissione di luce, o HLED. Il dispositivo incorporerebbe strati sia organici che inorganici, combinando la flessibilità di un OLED con la stabilità di un materiale inorganico che emette luce. L'idea è quella di avere una borsa mista e catturare le qualità che consentono una fabbricazione e una stabilità poco costose, afferma Gleason.
Gleason inizia con un substrato di polimero organico elettricamente conduttore, che crea attraverso un processo di deposizione chimica da vapore in una camera a basso vuoto. È l'unico passaggio del processo che richiede un vuoto, il che dovrebbe rendere l'approccio più economico rispetto ai metodi convenzionali. Per lo strato emettitore di luce, Gleason utilizza punti quantici, nanocristalli di semiconduttori inorganici; ogni punto quantico può essere sintonizzato per emettere determinate frequenze di luce. Sebbene i punti quantici siano essi stessi inflessibili, sono così piccoli, da due a sei nanometri di diametro, che anche disponendoli uno accanto all'altro in un film continuo consente comunque la flessibilità del materiale.
Sebbene l'utilizzo di punti quantici nei dispositivi a emissione di luce non sia una novità, la tecnica di Gleason lo è. Il problema è come far aderire i punti su un supporto in uno strato uniforme e uniforme, senza muoversi. Vaddiraju dice che usano il cablaggio molecolare. Invece di appoggiare semplicemente i punti quantici sopra il substrato polimerico, gli scienziati usano molecole di collegamento tra gli strati per legare chimicamente lo strato di punti quantici e il polimero insieme.
Questa molecola di reticolazione tra gli strati è una bella evoluzione delle strutture presenti, dice Vladimir Bulovic , professore associato di ingegneria elettrica al MIT e il primo a dimostrare l'uso pratico dei punti quantici nei dispositivi optoelettronici. La ricerca di Bulovic è dipesa da altri metodi per depositare punti quantici: far cadere i punti su un substrato a rotazione rapida, chiamato spin casting, e, più recentemente, stamparli su una superficie.
Il vantaggio della tecnica di Gleason, dice Bulovic, è che si ottiene una struttura molto robusta meccanicamente, chimicamente ed elettricamente. Convalida l'idea di stabilizzare i punti quantici all'interno di strutture organiche fornendo legami covalenti attorno a loro. Bulovic aggiunge che ci sono ancora ostacoli da superare, ma pensa che la ricerca rappresenti un altro di quei progressi che speravamo nel campo.
Il legame covalente risolve il problema della degradazione, dice Vaddiraju, perché le molecole di collegamento afferrano i legami liberi nel materiale organico, senza che nessuno reagisca nell'aria. Ciò isola efficacemente lo strato di polimero organico dall'influenza esterna.
Il cross-link dovrebbe anche occuparsi di ridimensionare. Piuttosto che affrontare il problema meccanico di depositare milioni di nanocristalli su un substrato attraverso la fusione a rotazione o lo stampaggio, la reazione chimica stessa lega i punti al substrato in uno strato liscio e uniforme. E a differenza di un processo come lo spin casting, la tecnica dei ricercatori utilizza tutti i punti e tutto il polimero. Quindi, dal punto di vista del costo del materiale, non stiamo perdendo materiale, afferma Vaddiraju.
Finora, il team è riuscito a creare un HLED rosso, che è durato 2.200 ore a 100 °C. I ricercatori pensano che sia più o meno equivalente al loro obiettivo a temperatura ambiente: 10.000 ore, o circa tre anni a poco meno di 10 ore al giorno, che stimano sia quanto dovrebbe durare un telefono cellulare.
Il passaggio successivo consiste nel completare il test con i punti verdi e blu; i ricercatori avranno bisogno di tutti e tre i colori funzionanti per un prototipo completo. Quindi passeranno a vedere come funziona il dispositivo con il patterning rapido, utilizzando i punti proprio come l'inchiostro di una stampante a getto d'inchiostro. Alla fine, l'obiettivo è quello di eseguire la stampa in blocco. Poiché gli strati sono così sottili e flessibili, l'elaborazione roll-to-roll sarà semplice e renderà il processo ancora più economico. Il roll-to-roll è lo stesso processo utilizzato per applicare uno strato barriera di metallizzazione sui sacchetti di patatine, afferma Gleason. E se è abbastanza economico per le patatine, dovrebbe essere abbastanza economico per i display.