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Atomar dünne Lichtemitter für unsichtbare Displays: Ausgabe 14/2018, 12.09.2018

Hohe Lichtintensität auch an gewölbten Flächen

Experten der UC Berkeley entwickelten ein helles, Licht emittierendes Element, das nur wenige Millimeter breit und ausgeschaltet voll transparent ist. Das Licht emittierende Material ist eine Halbleiter-Monoschicht, die nur drei Atome dünn ist.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Javey Lab, UC Berkeley; Nature Communications

Die Neuentwicklung öffnet die Tür zu unsichtbaren Displays an Wänden und Fenstern – Displays, die eingeschaltet hell leuchten und im ausgeschalteten Zustand nicht mehr sichtbar sind (Bild 1). Die Forscher denken dabei auch an Licht emittierende Tattoos. «Die Materialien sind so dünn und flexibel, dass das Element transparent sein kann und sich gewölbten Flächen anpasst», sagt Postdoktorand Der-Hsien Lien. Der Studienbericht erschien in «Nature Communications». Die Finanzierung dieses Projekts übernahmen die «National Science Foundation» und das «Department of Energy».

Forschungsarbeit überwand grundsätzliche Hemmnisse
Entwickelt wurde das Licht emittierende Element im Labor von Professor Ali Javey (Bild 2). In 2015 veröffentlichte das Labor in «Science» einen Bericht, der beschrieb, dass Halbleiter-Monoschichten helles Licht emittieren können, aber man fertigte damals kein Licht emittierendes Element.
Die neue Forschungsarbeit überwand die grundsätzlichen Hemmnisse bei der Nutzung der LED-Technologie auf Halbleiter-Monoschichten. Derartige Elemente können nunmehr von der Breite eines menschlichen Haares bis zu mehreren Millimetern skaliert werden. Das bedeutet, dass die Forscher die Dicke gering, aber die lateralen Dimensionen (Breite und Länge) gross halten können. Daraus erfolgt eine hohe Lichtintensität.

Kommerzielle LEDs bestehen aus einem Halbleitermaterial, das mit positiven und negativen Ladungen injiziert wird. Wenn sie aufeinandertreffen, wird Licht produziert. Typischerweise werden in auf Halbleitern basierenden Lichtemittern zwei Kontaktpunkte verwendet, und zwar je ein Punkt für negativ und positiv geladene Partikel. Die Herstellung von Kontakten, die diese Ladungen effizient injizieren können, ist für LEDs eine erhebliche Herausforderung und besonders schwierig für Halbleiter-Monoschichten, da nur sehr wenig Arbeitsmaterial vorhanden ist.

Nur ein Kontakt auf dem Halbleiter nötig
Das Berkeley-Team umging diese Schwierigkeiten mit einem neuen Elementdesign, das auf dem Halbleiter nur einen Kontakt benötigt. Man positionierte den Monoschicht-Halbleiter auf einen Isolator und die Elektroden auf die Monoschicht und unterhalb des Isolators. Damit konnte man ein AC-Signal über den Isolator anlegen. Sobald das AC-Signal seine Polarität von positiv auf negativ umschaltet (oder umgekehrt), sind sowohl die positiven als auch die negativen Ladungen zur gleichen Zeit im Halbleiter vorhanden und produzieren Licht. Die Forscher zeigten, dass dieser Mechanismus in vier unterschiedlichen Monoschichtenmaterialien funktioniert. Alle Materialien emittierten Licht mit unterschiedlichen Farben (Bild 3).

Die Effizienz muss verbessert werden
Das neue Element ist ein Machbarkeitsnachweis. Weitere Untersuchungen sind notwendig, wobei es in erster Linie darum geht, die Effizienz zu verbessern. Das Messen der Effizienz des neuen Elements ist nicht einfach, aber die Forscher gehen davon aus, dass das Element eine Effizienz von etwa 1 % zeigen wird. Kommerzielle LEDs erreichen einen Wirkungsgrad von etwa 25 bis 30 %.

Nach Ansicht der Forscher ist deren Konzept auf andere Elemente und andere Materialien übertragbar, wobei diese Technologie in vielen Applikationen auftauchen sollte, die über ein unsichtbares Display verfügen müssen. Javey: «Es bleibt noch viel zu tun, um diese Technologie für praktische Applikationen anwendbar zu machen. Aber es ist ein grosser Schritt vorwärts mit einer Architektur für die einfache Injektion zweier Ladungen in Halbleiter-Monoschichten.»




Bild 1: Anschlusspunkte injizieren positive und negative Ladungen in das Licht emittierende Element, das unter dem Umriss des Glockenturms transparent ist und helles Licht produziert. Die Bilder zeigen den Ein- und Ausschaltzustand


Bild 2: Professor Ali Javey, UC Berkeley


Bild 3: Transiente EL in TMDCs. (a) Darstellung eines t-EL-Elements. Eine Wechselspannung wird zwischen den Gate- und Source-Elektroden angelegt. Eine Emission zeigt sich nahe des Sourcekontakts. (b) Ein optisches und EL-Bild eines WSe2-Elements. Die Emission zeigt sich nur in der Nähe des geerdeten Sourcekontakts. Der Referenzbalken ist 10 µm lang. (c) EL- und PL-Spektren wurden für MoSe2-, WSe2-, MoS2- und WS2-Monolayer gemessen