Según informa Wedoany, recientemente, el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) de Estados Unidos y el Instituto Avanzado de Tecnología de Samsung de Corea del Sur han desarrollado un método de encapsulado con resina acrílica que prolonga significativamente la vida útil de los diodos emisores de luz de puntos cuánticos sin cadmio. En concreto, la vida útil de los QD-LED azules, tras convertir los resultados de las pruebas, ha aumentado más de 5000 veces. El equipo de investigación también identificó la causa clave del fallo del dispositivo: las especies activas de hidrógeno y oxígeno que se generan y migran durante el proceso de electrificación modifican gradualmente la microestructura de los puntos cuánticos y sus capas funcionales adyacentes. Los resultados se han publicado en Science Advances.
Esta investigación no se centra en las "pantallas de retroiluminación de puntos cuánticos" que se ven comúnmente en el mercado actual de televisores. Algunos televisores QLED existentes siguen utilizando LED tradicionales para la retroiluminación, y los puntos cuánticos se encargan principalmente de absorber y convertir la luz. En cambio, los QD-LED inyectan directamente electrones y huecos en la capa emisora de puntos cuánticos, que genera luz roja, verde y azul por sí misma. Sus ventajas son un espectro de emisión más estrecho, una mayor pureza cromática, una posible simplificación adicional de la estructura del dispositivo y su aplicabilidad en pantallas flexibles y de gran superficie.
El verdadero obstáculo para la comercialización de los QD-LED es la vida útil, especialmente en los dispositivos azules. La energía de los fotones azules es mayor que la de los rojos y verdes, lo que impone mayores exigencias a los materiales de puntos cuánticos, la estructura de las interfaces y el equilibrio de cargas. Las pruebas del MIT revelaron que la estabilidad de los QD-LED azules es entre 50 y 100 veces menor que la de los dispositivos rojos y verdes. Cuando se utilizan estos dispositivos en pantallas a todo color, los subpíxeles azules pueden degradarse primero, provocando desviaciones cromáticas y una disminución del brillo en la pantalla.
El dispositivo fabricado por el equipo de investigación está compuesto por múltiples capas nanométricas apiladas, cuya estructura básica incluye, en orden, un electrodo de óxido de indio y estaño, una capa de inyección de huecos, una capa de transporte de huecos, una capa emisora de puntos cuánticos, una capa de transporte de electrones de nanopartículas de óxido de zinc y magnesio, y un electrodo de aluminio. El dispositivo rojo utiliza puntos cuánticos de núcleo-corteza InP/ZnSe/ZnS, mientras que el azul emplea puntos cuánticos ZnTeSe/ZnSe/ZnS. Toda la región emisora tiene solo un grosor nanométrico; cualquier adelgazamiento, coalescencia de partículas o migración de elementos en alguna capa puede alterar el equilibrio de inyección de electrones y huecos.
Para observar lo que realmente ocurre en el interior del dispositivo, los investigadores utilizaron un haz de iones focalizado para cortar el QD-LED en secciones transversales de menos de 200 nanómetros de grosor, y luego compararon los dispositivos recién fabricados con los envejecidos mediante un microscopio electrónico de transmisión. Los resultados mostraron que, tras la electrificación continua, la capa de transporte de electrones, la capa emisora de puntos cuánticos y la capa orgánica de transporte de huecos presentaban densificación y reducción de grosor. Las nanopartículas, inicialmente separadas, se engrosaron y fusionaron gradualmente, y algunos puntos cuánticos perdieron su contorno original.
Esta degradación no se debe simplemente a que el material "se queme". El análisis elemental reveló que durante el funcionamiento del dispositivo aparecen especies activas de hidrógeno y oxígeno, que se difunden entre las diferentes capas funcionales; el oxígeno se acumula en la interfaz entre el electrodo de aluminio y la capa de transporte de electrones de óxido de zinc y magnesio. Experimentos adicionales con microscopía electrónica de transmisión in situ confirmaron que, en presencia de especies activas de hidrógeno, la velocidad de engrosamiento de las nanopartículas de óxido de zinc y magnesio se acelera. Tras el cambio en la estructura de las partículas, las rutas de transporte de electrones y los niveles de energía en las interfaces se modifican, lo que provoca un desequilibrio en la cantidad de electrones y huecos que reciben los puntos cuánticos, aumentando la recombinación no radiativa y, en última instancia, reduciendo el brillo y la eficiencia.
La función del encapsulado con resina acrílica no es añadir una capa protectora adicional a los propios puntos cuánticos, sino que, una vez fabricado el dispositivo, se coloca la resina entre el electrodo y el vidrio de encapsulado, alterando el entorno químico interno del dispositivo. Los resultados experimentales indican que la resina puede inhibir la formación y migración de especies activas de hidrógeno y oxígeno, reducir el engrosamiento de las partículas en la capa de transporte de electrones y la capa de puntos cuánticos, y evitar el adelgazamiento continuo de la estructura multicapa. El equipo de investigación cree que la resina también podría impedir la formación de humedad en el entorno gaseoso interno del dispositivo, siendo la humedad uno de los factores importantes que provocan la degradación del material.
La prueba de vida útil utilizó el indicador LT50, que es el tiempo de funcionamiento necesario para que el brillo del dispositivo disminuya al 50% de su valor inicial. El LT50 del dispositivo azul sin encapsulado de resina fue de solo 0,2 horas, mientras que tras el encapsulado alcanzó las 115,5 horas, y el brillo inicial del dispositivo encapsulado durante la prueba fue mayor. Los investigadores, combinando el coeficiente de aceleración del brillo, convirtieron ambos conjuntos de datos a 100 candelas por metro cuadrado, obteniendo una mejora de la vida útil de más de 5000 veces. En cuanto al dispositivo rojo, el LT50 aumentó de 22,1 horas a 189,9 horas, una mejora de aproximadamente 8 veces.
El "aumento de 5000 veces" no debe interpretarse directamente como que la vida útil del televisor se haya prolongado 5000 veces. Esta cifra proviene de la conversión de resultados experimentales del dispositivo bajo condiciones específicas de corriente, brillo y aceleración; la vida útil actual de los dispositivos azules aún no cumple plenamente los requisitos de uso en productos electrónicos de consumo a gran escala. El encapsulado con resina tampoco elimina todas las vías de degradación, y el equipo continúa investigando la adición de otras capas funcionales para seguir mejorando la eficiencia lumínica y la estabilidad a largo plazo.
El valor de esta tecnología radica en que el paso de encapsulado es relativamente simple, no requiere rediseñar los materiales de puntos cuánticos ni cambiar por completo el proceso de fabricación de los QD-LED, y es posible integrarlo en los procesos de fabricación de dispositivos de película delgada existentes. Si en el futuro se logran resolver los problemas de fiabilidad a largo plazo, uniformidad de píxeles y fabricación en grandes superficies, la tecnología de puntos cuánticos electroluminiscentes podría utilizarse en televisores de pantalla plana, teléfonos inteligentes, visores de realidad aumentada/realidad virtual, imágenes médicas e iluminación de grandes áreas, y podría extenderse a sensores y láseres.