Incastonando punti quantici in una struttura isolante a forma di uovo, i ricercatori della Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno dimostrato una nuova architettura robusta per dispositivi a emissione di luce a punti quantici (QD-LED).

I punti quantici sono cristalli molto piccoli che brillano di luce, colori ricchi quando stimolato da una corrente elettrica. Ci si aspetta che i QD-LED trovino applicazioni negli schermi televisivi e dei computer, sorgenti luminose generali, e laser.

Il lavoro precedente nel campo era stato complicato da molecole organiche chiamate ligandi che penzolano dalla superficie dei punti quantici. I ligandi svolgono un ruolo essenziale nella formazione dei punti quantici, ma possono causare problemi funzionali in seguito.

Grazie a un cambiamento inventivo nella tecnica ideato dal team di Harvard, i ligandi un tempo fastidiosi possono ora essere utilizzati per costruire una struttura QD-LED più versatile. Il nuovo design monostrato, descritto nella rivista Advanced Materials, può resistere all'uso di trattamenti chimici per ottimizzare le prestazioni del dispositivo per diverse applicazioni.

"Con i punti quantici, l'ambiente chimico ottimale per la crescita di solito non è l'ambiente ottimale per la funzione, "dice il co-investigatore principale Venkatesh Narayanamurti, Benjamin Peirce Professore di Tecnologia e Politiche Pubbliche presso SEAS.

I punti quantici, ciascuno solo 6 nanometri di diametro, sono coltivate in una soluzione che brilla in modo sorprendente sotto una luce nera.

La soluzione dei punti quantici può essere depositata sulla superficie degli elettrodi utilizzando una serie di tecniche, ma secondo l'autore principale Edward Likovich (A.B. '06, S.M. '08, dottorato di ricerca '11), che ha condotto la ricerca come dottorando in fisica applicata presso SEAS, "Ecco quando diventa complicato."

"Il nucleo dei punti è un reticolo perfetto di materiale semiconduttore, ma all'esterno è molto più disordinato, " dice. "I punti sono ricoperti di leganti, lunghe catene organiche necessarie per la sintesi precisa dei punti in soluzione. Ma una volta depositati i punti quantici sulla superficie dell'elettrodo, questi stessi ligandi rendono molto difficili molte delle tipiche fasi di elaborazione del dispositivo".

I ligandi possono interferire con la conduzione di corrente, e i tentativi di modificarli possono far fondere insieme i punti quantici, distruggendo le proprietà che li rendono utili. Le molecole organiche possono anche degradarsi nel tempo se esposte ai raggi UV.

I ricercatori vorrebbero essere in grado di utilizzare quei ligandi per produrre i punti quantici in soluzione, minimizzando l'impatto negativo dei ligandi sulla conduzione di corrente.

"Le tecnologie QD che sono state sviluppate finora sono così grandi, di spessore, dispositivi multistrato, " afferma il co-autore Rafael Jaramillo, uno Ziff Environmental Fellow presso l'Harvard University Center for the Environment. Jaramillo lavora nel laboratorio di Shriram Ramanathan, Professore Associato di Scienza dei Materiali presso SEAS.

"Fino ad ora, quegli strati multipli sono stati essenziali per produrre abbastanza luce, ma non consentono molto controllo sulla conduzione della corrente o flessibilità in termini di trattamenti chimici. Un sottile, film monostrato di punti quantici è di enorme interesse in questo campo, perché consente così tante nuove applicazioni."

Il nuovo QD-LED ricorda un sandwich, con un singolo strato attivo di punti quantici annidati nell'isolamento e intrappolati tra due elettrodi di ceramica. Per creare luce, la corrente deve essere incanalata attraverso i punti quantici, ma i punti devono anche essere tenuti separati l'uno dall'altro per funzionare.

In un primo disegno, il percorso di minor resistenza era tra i punti quantici, quindi la corrente elettrica ha bypassato i punti e non ha prodotto luce.

Abbandonando la tradizionale tecnica di evaporazione che avevano usato per applicare l'isolamento al dispositivo, i ricercatori hanno invece utilizzato la deposizione di strati atomici (ALD), una tecnica che prevede getti d'acqua. ALD sfrutta i ligandi resistenti all'acqua sui punti quantici, quindi quando l'isolamento in ossido di alluminio viene applicato alla superficie, riempie selettivamente gli spazi tra i punti, producendo una superficie piana sulla parte superiore.

La nuova struttura consente un controllo più efficace del flusso di corrente elettrica.

"Sfruttare questi ligandi idrofobici ci ha permesso di isolare gli interstizi tra i punti quantici, essenzialmente creando una struttura che funge da cassa per le uova per i punti quantici, " dice il co-autore Kasey Russell (A.B. '02, dottorato di ricerca '09), un borsista post-dottorato presso SEAS. "Il vantaggio è che possiamo incanalare la corrente direttamente attraverso i punti quantici pur avendone solo un singolo strato, e poiché abbiamo quel singolo strato, possiamo applicargli nuovi trattamenti chimici, andando avanti."

Attraverso l'Office of Technology Development di Harvard, Likovich e i suoi colleghi hanno richiesto un brevetto provvisorio sul dispositivo. Al di là delle possibili applicazioni nei display di computer e TV, luci, e laser, la tecnologia potrebbe un giorno essere utilizzata nei transistor ad effetto di campo o nelle celle solari.