Forschungs-Durchbruch: LED aus isolierenden Nanopartikeln entwickelt

Einem Forschungsteam der Universität Cambridge ist ein Fortschritt gelungen, der die Bauweise von Leuchtdioden (LEDs) verändern könnte. Noch bestehen technische Hürden, doch die ersten Ergebnisse zeigen, was man bislang für unmöglich hielt.

Licht aus elektrischen Isolatoren

Isolierende Materialien verhindern in der Elektronik üblicherweise den Stromfluss. Den Forschern des Cavendish Laboratory der Universität Cambridge ist es nun gelungen, elektrisch isolierende, mit Lanthanoiden dotierte Nanopartikel (LnNPs) durch elektrische Anregung zur Lichtemission zu bringen.

Bislang konnten diese Materialien ausschließlich durch externe Lichtquellen zur Fluoreszenz angeregt werden, da ihre große Bandlücke eine elektrische Leitfähigkeit unter normalen Bedingungen ausschließt. Möglich wurde dies durch eine spezielle Hybrid-Architektur. Um die elektrische Isolierung zu überwinden, beschichteten die Wissenschaftler die Nanopartikel mit dem organischen Farbstoff 9-Anthracencarbonsäure (9-ACA).

Effiziente Energienutzung

Die Moleküle dienen als Energieüberträger. Bei angelegter Spannung wird zunächst die organische Hülle angeregt, die die Energie anschließend über einen quantenmechanischen Prozess, den Triplett-Energietransfer (TET), an die Lanthanoid-Ionen im Inneren der Partikel weitergibt.

Wie das Cavendish Laboratory der Uni Cambridge berichtet, nutzt das Verfahren einen Energiezustand, der in optischen Systemen bislang als kaum verwertbar galt. Der Triplett-Zustand überträgt die Energie mit einer Effizienz von mehr als 98 Prozent von der organischen Hülle auf die Nanopartikel. Nach Angaben von Professor Akshay Rao habe das Team damit einen bislang als nahezu unzugänglich geltenden physikalischen Mechanismus nutzbar gemacht:

Diese Nanopartikel sind fantastische Lichtemitter, aber wir konnten sie nicht mit Strom versorgen. Das war ein großes Hindernis für ihren Einsatz in der Alltagstechnologie. Wir haben im Grunde eine Hintertür gefunden, um sie mit Strom zu versorgen. Die organischen Moleküle wirken wie Antennen, fangen Ladungsträger ein und ‚flüstern‘ sie dann durch einen speziellen Triplett-Energieübertragungsprozess, der überraschend effizient ist, an die Nanopartikel weiter.

Chancen für Medizin und IT

Die sogenannten LnLEDs arbeiten bereits bei einer Betriebsspannung von rund fünf Volt. Ein Vorteil der Technologie liegt in der spektralen Reinheit des erzeugten Lichts. Im Unterschied zu herkömmlichen Halbleitern oder Quantenpunkten emittieren die Bauteile extrem schmalbandiges Licht im zweiten nahen Infrarotbereich (NIR-II). Dieses Licht kann biologisches Gewebe vergleichsweise tief durchdringen, ohne stark gestreut oder absorbiert zu werden.

Die definierten Wellenlängen gelten als vielversprechend für die biomedizinische Bildgebung. Künftig könnten etwa tragbare Sensoren oder Implantate Organfunktionen überwachen oder Tumorgewebe sichtbar machen, ohne externe Laseranregung zu benötigen. Auch für die optische Datenübertragung könnten die LEDs relevant sein, da sich mit schmalbandigen Lichtquellen Datenkanäle in Glasfasernetzen dichter belegen und Störungen reduzieren lassen.

Noch bestehen technische Hürden. Die externe Quanteneffizienz (EQE) der ersten Prototypen liegt mit etwas über 0,6 Prozent deutlich unter den Werten etablierter OLED- und LED-Technologien. Zudem begrenzt der derzeitige Aufbau mit einer Monolage der Nanohybride die maximale Helligkeit. Die Forscher sehen dennoch Potenzial: Der Ansatz, elektrische Isolatoren über molekulare Antennen anzuregen, eröffnet neue Möglichkeiten für die Optoelektronik.

Was haltet ihr von diesem neuen Ansatz in der LED-Technik? Wir sind gespannt auf eure Einschätzungen in den Kommentaren!


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