Wissenschaftler entwickeln erschwingliche, nachhaltige Lösungen für Flachbildschirme und tragbare Technologie

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Ein Forschungsteam unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hat „supramolekulare Tinte“ entwickelt, eine neue Technologie für den Einsatz in OLED-Displays (organische Leuchtdioden) oder anderen elektronischen Geräten. Supramolekulare Tinte wird aus kostengünstigen, auf der Erde vorkommenden Elementen anstelle von teuren, knappen Metallen hergestellt und könnte erschwinglichere und umweltfreundlichere Flachbildschirme und elektronische Geräte ermöglichen.

„Durch den Ersatz von Edelmetallen durch auf der Erde vorkommende Materialien könnte unsere supramolekulare Tintentechnologie die OLED-Display-Industrie grundlegend verändern“, sagte der leitende Forscher Peidong Yang, leitender Wissenschaftler an der Fakultät für Materialwissenschaften des Berkeley Lab und Professor für Chemie und Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der UC Berkeley. „Noch spannender ist, dass die Technologie ihre Reichweite auch auf organisch bedruckbare Folien für die Herstellung tragbarer Geräte sowie leuchtender Kunst und Skulpturen ausdehnen könnte“, fügte er hinzu.

Wenn Sie ein relativ neues Smartphone oder einen Flachbildfernseher besitzen, besteht eine gute Chance, dass dieser über einen OLED-Bildschirm verfügt. OLEDs sind auf dem Display-Markt auf dem Vormarsch, da sie leichter und dünner sind, weniger Energie verbrauchen und eine bessere Bildqualität als andere Flachbildschirmtechnologien bieten. Das liegt daran, dass OLEDs winzige organische Moleküle enthalten, die Licht direkt emittieren, sodass keine zusätzliche Hintergrundbeleuchtungsschicht erforderlich ist, die in einem Flüssigkristalldisplay (LCD) zu finden ist. Allerdings können OLEDs seltene, teure Metalle wie Iridium enthalten.

Aber mit dem neuen Material – das das Berkeley Lab-Team kürzlich in einer neuen Studie beschrieben hat, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Wissenschaft – Hersteller elektronischer Displays könnten möglicherweise einen günstigeren Herstellungsprozess einführen, der auch weit weniger Energie erfordert als herkömmliche Methoden.

Das neue Material besteht aus Pulvern, die Hafnium (Hf) und Zirkonium (Zr) enthalten und bei niedrigen Temperaturen – von Raumtemperatur bis etwa 176 Grad Fahrenheit (80 Grad Celsius) – in Lösung gemischt werden können, um eine Halbleiter-„Tinte“ zu bilden. “

Winzige molekulare „Baustein“-Strukturen innerhalb der Tinte organisieren sich in Lösung selbst – ein Prozess, den die Forscher supramolekulare Assemblierung nennen. „Unser Ansatz kann mit dem Bauen mit LEGO-Steinen verglichen werden“, sagte Cheng Zhu, der Co-Erstautor des Artikels und Doktorand. Kandidat für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der UC Berkeley. Diese supramolekularen Strukturen ermöglichen dem Material eine stabile und hochreine Synthese bei niedrigen Temperaturen, erklärte Zhu. Er entwickelte das Material während seiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Materialwissenschaftsabteilung des Berkeley Lab und als Doktorand in der Peidong Yang-Gruppe am Berkeley Lab und der UC Berkeley.

Spektroskopieexperimente an der UC Berkeley ergaben, dass die supramolekularen Tintenkomposite hocheffiziente Emitter von blauem und grünem Licht sind – zwei Anzeichen für die potenzielle Anwendung des Materials als energieeffizienter OLED-Emitter in elektronischen Displays und im 3D-Druck.

Nachfolgende optische Experimente zeigten, dass die blau und grün emittierenden supramolekularen Tintenverbindungen eine Quanteneffizienz von nahezu eins aufweisen, die Wissenschaftler nennen. „Dies zeigt ihre außergewöhnliche Fähigkeit, während des Emissionsprozesses nahezu das gesamte absorbierte Licht in sichtbares Licht umzuwandeln“, erklärte Zhu.

Um die Farbabstimmbarkeit und Lumineszenz des Materials als OLED-Emitter zu demonstrieren, stellten die Forscher aus der Verbundtinte einen Dünnfilm-Display-Prototyp her. In einem spannenden Ergebnis stellten sie fest, dass sich das Material für programmierbare elektronische Displays eignet.

„Der Alphabet-Film ist ein überzeugendes Beispiel, das die Anwendung emittierender dünner Filme wie supramolekularer Tinte bei der Herstellung schnell schaltender Displays veranschaulicht“, sagte Zhu.

Weitere Experimente an der UC Berkeley zeigten, dass die supramolekulare Tinte auch mit 3D-Drucktechnologien kompatibel ist, etwa für die Gestaltung dekorativer OLED-Beleuchtung.

Zhu fügte hinzu, dass Hersteller die supramolekulare Tinte auch zur Herstellung tragbarer Geräte oder High-Tech-Kleidung verwenden könnten, die zur Sicherheit bei schlechten Lichtverhältnissen leuchtet, oder tragbare Geräte, die Informationen durch die supramolekularen lichtemittierenden Strukturen anzeigen.

Die supramolekulare Tinte ist ein weiterer Beweis des Peidong Yang-Labors für neue nachhaltige Materialien, die eine kostengünstige und energieeffiziente Halbleiterfertigung ermöglichen könnten. Letztes Jahr berichteten Yang und sein Team über eine neue „Multielement-Tinte“ – den ersten „Hochentropie“-Halbleiter, der bei niedriger Temperatur oder Raumtemperatur verarbeitet werden kann.

Mit ihrer nachgewiesenen Stabilität und Haltbarkeit könnten die supramolekularen Tintenverbindungen auch zur kommerziellen Weiterentwicklung von ionischen Halogenid-Perowskiten beitragen, einem Dünnschicht-Solarmaterial, das die Display-Industrie seit Jahrzehnten im Auge hat. Mit ihrer Niedertemperatursynthese in Lösung könnten ionische Halogenid-Perowskite möglicherweise kostengünstigere Herstellungsprozesse für die Herstellung von Displays ermöglichen. Hochleistungs-Halogenid-Perowskite enthalten jedoch das Element Blei, das für die Umwelt und die öffentliche Gesundheit besorgniserregend ist. Im Gegensatz dazu bietet die neue supramolekulare Tinte – die zur Familie der ionischen Halogenid-Perowskite gehört – eine bleifreie Formulierung ohne Leistungseinbußen.

Nachdem sie nun das Potenzial der supramolekularen Tinte in OLED-Dünnfilmen und 3D-druckbarer Elektronik erfolgreich demonstriert haben, untersuchen die Forscher nun das Elektrolumineszenzpotenzial des Materials. „Dazu gehört eine gezielte und spezielle Untersuchung, wie gut unsere Materialien durch elektrische Anregung Licht emittieren können“, sagte Zhu. „Dieser Schritt ist wichtig, um das volle Potenzial unseres Materials für die Herstellung effizienter lichtemittierender Geräte zu verstehen.“

Weitere Autoren der Studie sind Jianbo Jin (Co-Erstautor), Zhen Wang, Zhenpeng Xu, Maria C. Folgueras, Yuxin Jiang, Can B. Uzundal, Han KD Le, Feng Wang und Xiaoyu (Rayne) Zheng.

Diese Arbeit wurde vom Office of Science des Energieministeriums unterstützt.



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