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Nano-Plättchen sparen Bildschirm-Energie

Eine mit mehreren Lagen Halbleiter-Nanoplättchen beschichtete Glasscheibe beginnt im UV-Licht blau zu leuchten. (Bild: ETH Zürich / Jakub Jagielski)

Brillante Farben und dazu ein möglichst geringer Energieverbrauch sind in der Bildschirmtechnologie gefragt – doch beim zweiten Punkt hapert es bisher: Die modernen Leuchtdioden strahlen ihr Licht in alle Richtungen. Diese Streuverluste konnten Forscher nun deutlich reduzieren: Sie haben eine raffinierte Lichtquelle entwickelt, die besonders intensiv in Richtung des Betrachters strahlt, sodass eine Menge Energie eingespart werden kann.

Seit einigen Jahren lässt eine neue Technik Bildschirme und Displays erstrahlen: Die sogenannten Quantenpunkt-Leuchtdioden (QLEDs) können besonders helle und intensive Farben erzeugen. Ihre Effekte basieren auf den Merkmalen vieler winziger Halbleiter-Nanokristalle, die auch Quantenpunkte genannt werden. In einem Bildschirm werden diese Nanokristalle von hinten mit UV-Licht angeregt. Die Kristalle wandeln diese Strahlung dann in farbiges Licht im sichtbaren Bereich um. Je nach Materialzusammensetzung des Nanokristalls entsteht dabei eine andere Farbe.

Streuverluste schmälern die Energieeffizient

Doch bei der bisherigen QLED-Technologie gibt es einen Haken: Die Nanokristalle sind kugelförmig und streuen deshalb bei Anregung das erzeugte Licht in alle Richtungen. Das bedeutet: Das Innere des Bildschirms wird sinnloserweise beleuchtet – nur rund ein Fünftel des erzeugten Lichts strahlt aus dem Gerät heraus und ist für den Betrachter sichtbar. Dabei handelt es sich um eine Energieverschwendung und jeder, der schon einmal am Limit der Akkuleistung von Handy und Co angekommen ist, weiß, dass die Bildschirmleistung erheblich zum Energieverbrauch von Geräten beiträgt.

Um die Energieeffizienz der QLED-Technologie zu erhöhen, tüfteln Wissenschaftler deshalb bereits seit einiger Zeit an Nanokristallen, die Licht nur in eine Richtung abgeben. Dieses Ziel verfolgt auch die Arbeitsgruppe um Jakub Jagielski von der ETH Zürich. Statt kugelförmige Gebilde sollen ultradünne Nanoplättchen das Problem lösen, indem sie Licht rechtwinklig zur Plättchenebene abgeben. Wie Jagielski und seine Kollegen berichten, hat diese Strategie bisher allerdings nicht zum Erfolg geführt. Das Problem: Die Nanoplättchen erzeugen vergleichsweise schwaches Licht. Wenn man sie zur Kompensation allerdings in mehrere Schichten übereinanderlegt, kommt man erneut zum Ausgangsproblem: Die Plättchen treten in Wechselwirkung und das Licht wird nicht mehr in eine Richtung abgestrahlt, sondern erneut rundum.

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Gerichtet leuchtende Nano-Stapel

Doch Jagielski und seine Kollegen haben nun offenbar doch eine Lösung gefunden: Sie haben Strukturen aus 2,4 Nanometer dünnen Halbleiterplättchen so gestapelt, dass sie jeweils durch eine feine Isolierschicht aus organischen Molekülen voneinander getrennt sind. Diese Schicht unterbindet die Wechselwirkungen, wodurch die Plättchen auch in gestapelter Anordnung Licht überwiegend in nur eine Richtung abgeben. „Je mehr Plättchen wir übereinanderstapeln, desto intensiver wird dabei das Licht. Wir können so die Lichtintensität beeinflussen, ohne dabei die bevorzugte Emissionsrichtung zu verlieren“, resümiert Jagielski.

Die Forscher konnten mit ihrer Methode bereits eine Quantenpunkt-Leuchtdiode für blaues Licht herstellen, bei der nun doppelt so viel Licht wie bei herkömmlichen Versionen das Auge des Betrachters erreicht. „Das bedeutet: Um Licht mit einer bestimmten Intensität zu erzeugen, benötigen wir mit unserer Methode im Vergleich zur herkömmlichen QLED-Technologie nur halb so viel Energie“, sagt Co-Autor Chih-Jen Shih. Die Forscher arbeiten nun daran, auch bei Dioden für die anderen Farben eine ähnliche Effizienz zu erreichen. Ihnen zufolge ist dabei offenbar die Farbe Rot eine besondere Herausforderung.

Doch wie sieht es mit dem Aufwand für die Herstellung aus? Den Entwicklern zufolge lassen sich die neuartigen gestapelten QLEDs sogar besonders einfach in einem einzigen Schritt herstellen. Es zeichnet sich somit erhebliches Potenzial ab. Man darf also gespannt sein, ob und wann die innovative Technologie aus der Schweiz in die Bildschirmtechnik Einzug hält.

Quelle: ETH Zürich, Fachartikel: Nature Communications 2020, doi: 10.1038/s41467-019-14084-3

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