پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) در مطالعه ای تازه موفق شده اند راهکاری ساده برای افزایش طول عمر LEDهای مبتنی بر نقاط کوانتومی ارائه کنند؛ دستاوردی که می تواند زمینه ساز تولید نسل جدیدی از نمایشگرهای دیجیتال با مصرف انرژی کمتر، روشنایی بیشتر و کیفیت رنگ بالاتر باشد.

به نقل از MIT NEWS،این پژوهش که با همکاری محققان مؤسسه پیشرفته فناوری سامسونگ (SAIT) انجام شده، می تواند در توسعه نمایشگرهایی مانند تلویزیون های صفحه تخت، هدست های واقعیت افزوده و واقعیت مجازی، نمایشگر تلفن های هوشمند، تجهیزات تصویربرداری پزشکی و حتی سامانه های روشنایی محیطی با ابعاد بزرگ نقش مهمی ایفا کند.

در این تحقیق، دانشمندان MIT تغییرات میکروسکوپی ایجادشده در LEDهایی را بررسی کردند که از نقاط کوانتومی برانگیخته شده با جریان الکتریکی استفاده می کنند. نقاط کوانتومی، ذرات نیمه رسانای نانومقیاسی با شکل دقیق هستند که نورهایی با رنگ بسیار خالص تولید می کنند.

نقاط کوانتومی هم اکنون نیز در برخی از پیشرفته ترین نمایشگرهای رایانه و تلویزیون به کار گرفته می شوند، اما در صورتی که بتوان آن ها را مستقیماً با جریان الکتریکی تحریک کرد، همان گونه که بیش از دو دهه پیش در ساختارهای LED نقطه کوانتومی (QD-LED) نشان داده شد، می توان بازدهی نمایشگرها را افزایش داد و فرآیند تولید آن ها را نیز ساده تر کرد.

با این حال، محدود بودن طول عمر عملیاتی QD-LEDها تاکنون مانع اصلی تجاری سازی گسترده این فناوری بوده است.

پژوهش جدید نشان می دهد که کپسوله سازی QD-LEDها در یک رزین مبتنی بر آکریلات می تواند با کاهش تخریب فیزیکی حین کار، عمر این تجهیزات را به شکل قابل توجهی افزایش دهد.

محققان نشان دادند استفاده از یک لایه رزین از طریق فرآیندی ساده و قابل توسعه صنعتی، موجب افزایش پایداری و عملکرد این LEDها می شود. در برخی نمونه ها، این روش توانست طول عمر دستگاه را تا 5000 برابر افزایش دهد. علاوه بر این، پژوهش حاضر برای نخستین بار علت اصلی مؤثر بودن این روش کپسوله سازی را نیز آشکار کرده است.

ولادیمیر بولوویچ، استاد فناوری های نوظهور، پژوهشگر ارشد آزمایشگاه تحقیقاتی الکترونیک (RLE)، مدیر MIT. nano و نویسنده ارشد این مطالعه، در این باره می گوید: بینش در مورد چگونگی و چرایی اصلاح LEDهای نقطه کوانتومی در طول عملکردشان، امکان رفع هر چیزی را که مانع تجاری سازی نمایشگرهای QD-LED می شود، فراهم می کند. این فناوری می تواند منبع نوری مانند هرگز قبل - با رنگ خالص، به ضخامت کاغذ و با مساحت زیاد - فراهم کند و نحوه تولید نمایشگرها و روشنایی عمومی را متحول کند.

نویسنده اصلی این مقاله، رویکی ژانگ، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی برق و علوم کامپیوتر، به همراه مونگی باوندی، استاد شیمی لستر ولف، و جمعی از پژوهشگران MIT و سامسونگ در این پروژه مشارکت داشته اند. نتایج این تحقیق در نشریه Science Advances منتشر شده است.

چالش LEDهای آبی

این پژوهش بر پایه مطالعات بنیادین مونگی باوندی شکل گرفته است؛ دانشمندی که در سال 2023 به دلیل کشف و سنتز نقاط کوانتومی موفق به دریافت جایزه نوبل شیمی شد. ولادیمیر بولوویچ نیز از سال 2000، پس از پیوستن به MIT، همکاری خود را با باوندی برای توسعه نمایشگرهای مبتنی بر نقاط کوانتومی آغاز کرد.

در نمایشگرهای LED رایج، هزاران منبع نور کوچک، رنگ های قرمز، سبز و آبی را تولید می کنند. در مقابل، نمایشگرهای OLED از مولکول های آلی نورافشان بهره می برند که با جریان الکتریکی تحریک می شوند.

پژوهشگران MIT تلاش کردند این مولکول های آلی را با نقاط کوانتومی جایگزین کنند؛ زیرا نقاط کوانتومی نور قرمز، سبز و آبی را با خلوص بیشتر و بازده انرژی بالاتری تولید می کنند.

بولوویچ در این باره می گوید: با استفاده از نقاط کوانتومی، کیفیت رنگ نمایشگر از نظر بصری جذاب تر و از نظر نوری منعطف تر خواهد بود. می توان رنگ های حاصل از نقاط کوانتومی را با دقت بسیار بالایی با هم ترکیب کرد تا هر رنگ دلخواهی که مورد نیاز است، تولید شود.

همکاری این گروه پژوهشی به توسعه مجموعه ای از فناوری های LED مبتنی بر نقاط کوانتومی و تأسیس شرکت نوپای QD Vision انجامید؛ شرکتی که نخستین نمایشگرهای مجهز به نقاط کوانتومی را به بازار عرضه کرد. سامسونگ نیز در سال 2016 این شرکت را خریداری و نسخه ای از فناوری نقاط کوانتومی را در نمایشگرهای QLED خود به کار گرفت.

با وجود مزیت های انرژی، QD-LEDهای برانگیخته شده با جریان الکتریکی هنوز به بازار راه نیافته اند؛ مهم ترین دلیل آن نیز طول عمر کوتاه نمونه های آبی رنگ است.

رویکی ژانگ می گوید: پایداری LEDهای نقاط کوانتومی آبی، 50 تا 100 برابر کمتر از همتایان قرمز و سبز آن هاست. اگر از آن ها در یک نمایشگر LED استفاده کنید، ممکن است تلویزیون شما پیش از آنکه از کار بیفتد، تنها چند ماه عمر کند. ما می خواستیم دریابیم که چه تفاوتی در ماهیت LEDهای نقاط کوانتومی آبی وجود دارد.

بررسی در مقیاس نانو

پژوهشگران برای یافتن پاسخ، روشی برای برش QD-LEDها به نوارهایی در مقیاس نانو توسعه دادند تا بتوانند ساختار داخلی آن ها را با استفاده از میکروسکوپ های پیشرفته MIT. nano بررسی کنند.

آن ها با مقایسه نمونه های تازه ساخته شده با نمونه هایی که مدت طولانی تحت کار قرار گرفته بودند، تغییرات ساختاری و شیمیایی لایه های مختلف QD-LEDهای قرمز و آبی را مورد مطالعه قرار دادند.

نتایج نشان داد سه لایه اصلی عملکردی در LEDهای آبی، در طول کار دچار تخریب می شوند، ضخامت آن ها کاهش می یابد و ساختارشان تغییر می کند. همچنین نقاط کوانتومی مجزا به تدریج با یکدیگر ادغام شده و شکل اولیه خود را از دست می دهند.

به گفته محققان، بخشی از این تخریب ناشی از آزاد شدن هیدروژن و اکسیژن اضافی در حین عملکرد دستگاه است.

ژانگ در این باره می گوید: ما هنوز دقیقاً نمی دانیم این عناصر اضافی از کجا می آیند - احتمالات زیادی وجود دارد. اما قطعاً نمی خواهیم هیدروژن و اکسیژن اضافی در دستگاه وجود داشته باشد.

برای جلوگیری از این روند، پژوهشگران از روش کپسوله سازی با رزین آکریلات استفاده کردند؛ روشی که پیش تر نیز در برخی کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار گرفته بود.

بررسی ها نشان داد این پوشش رزینی از آزاد شدن هیدروژن و اکسیژن جلوگیری کرده و بخش قابل توجهی از تخریب ساختاری لایه های QD-LED آبی را مهار می کند.

بولوویچ درباره این یافته می گوید: برای نخستین بار، ما به جزییات آنچه درون این ساختارهای متشکل از مواد گوناگون و لایه بندی شده (که QD-LED را تشکیل می دهند) رخ می دهد، پی برده ایم. پیش از این، کسی از این موضوع آگاه نبود.

به گفته پژوهشگران، این روش ساده و مقرون به صرفه موجب افزایش هشت برابری طول عمر QD-LEDهای قرمز و بیش از 5000 برابر شدن طول عمر نمونه های آبی شده است.

به اعتقاد آن ها، رزین از تشکیل رطوبت در فضای اطراف نقاط کوانتومی جلوگیری می کند؛ رطوبتی که احتمالاً یکی از عوامل اصلی افت عملکرد این تجهیزات است.

البته آزمایش ها نشان داده است که کپسوله سازی با رزین تمام عوامل تخریب را از بین نمی برد و به همین دلیل پژوهشگران اکنون در حال بررسی افزودن لایه های محافظ جدید برای افزایش بیشتر طول عمر و کارایی این فناوری هستند.

آن ها همچنین قصد دارند از نتایج این مطالعه برای بهبود عملکرد QD-LEDها در کاربردهایی فراتر از نمایشگرها، از جمله حسگرها و سامانه های لیزری، استفاده کنند.

بولوویچ در پایان می گوید: این نسل از LEDهای نقطه کوانتومی نسبت به نمونه های موجود برتری خواهد داشت؛ چرا که ساخت آن ها ساده تر است و از کارایی و عملکرد بالاتری برخوردارند. این دستاورد می تواند افق های تازه ای را در نگرش به این فناوری بگشاید؛ نه تنها در حوزه نمایشگرها یا روشنایی، بلکه در زمینه هایی همچون حسگرها، لیزرها و موارد دیگر.

بودجه این پژوهش توسط مؤسسه پیشرفته فناوری سامسونگ (SAIT) تأمین شده و بخشی از تحقیقات نیز با استفاده از امکانات مرکز MIT. nano انجام شده است.

منبع: فرارو