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Quantenpunkt-Displays

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Quantenpunkte (Quantum Dots) sind eine Klasse von Stoffen deren Größe zwischen der gerade noch sichtbaren makroskopischen Welt und dem von Quanteneffekten beherrschten Mikrokosmos steht. Diese oft als Nanokristalle bezeichneten Strukturen, zumeist Halbleitermaterialien, sind zwischen 2 nm und 100 nm groß und bestehen typischer Weise aus etwa 103 bis 109 Atomen. Diese Nanokristalle sind in einem anderen Halbleiter eingeschlossen bzw. eingebettet. Aufgrund der geringen Abmessungen treten zwischen beiden Halbleitermaterialien quantenmechanische Effekte auf, die zu neuartigen Eigenschaften führen. Die wohl wichtigste sind hierbei die Eigenschaft bei Stimulation durch Licht oder elektrische Felder mit hohem Wirkungsgrad monochromes Licht höchster Farbreinheit zu abzugeben.

Abb. 1.01: Quantum-Dots mit Emissionsmaxima in 10 nm Stufen werden heute kg-weise hergestellt (Foto: PlasmaChem GmbH)
Abb. 1.01: Quantum-Dots mit Emissionsmaxima in 10 nm Stufen werden heute kg-weise hergestellt (Foto: PlasmaChem GmbH) [1]

Quantenpunkte wurden 1981 erstmalig von Alexey Ekimov  am Vavilov State Optical Institute (St. Petersburg, Russland) innerhalb einer Glasmatrix und 1985 von Louis E. Brus [Interview] in kolloidalen Suspensionen beobachtet. Die Bezeichnung "Quantenpunkte" wurde von Mark Reed, einem Physiker an der Yale Universität, geprägt.
Schon bald nach der Entdeckung wurden mögliche Anwendungsbereiche für Quantenpunkte erforscht. Zu diesen gehören der Einsatz als Biomarker in bildgebenden Verfahren der medizinischen Diagnostik, als Quelle von verschränkten Photonen für die Kryptografie und Qubits für Quantencomputer. Die erste Verwendung in Produkten für den Konsumentenbereich fanden Quantenpunkte 2010 in einem LED-Array für Beleuchtungszwecke und 2013 in den Flachbildschirmen von Sony's LCD-TVs der Serie XPR X900A.

Quantenpunkt-Displays werden in naher Zukunft erheblich an Bedeutung gewinnen. Mit der Einführung von UHD-TV (Ultra High Definition TV), oft auch 4K-TV genannt, werden Displays benötigt, die einen Farbumfang nach dem Standard BT.2020 aufweisen. Neben (verhältnismaßig teuren) OLED-Bildschirmen sind Quantenpunkt-Displays die einzigen Displays, die den Anforderungen im Bereich der Konsumelektronik nahe kommen können.

2. Quellmaterial und Herstellung

Um die Phänomene der Quantenpunkte verstehen zu können, sollte man als erstes die Struktur dieser Gebilde und die elektrischen Verhältnisse in dieser betrachten. 

2.1 Quellmaterial

Anhand der Ausgangswerkstoffe können drei Arten von Quantenpunkten unterschieden werden:

  • III-V-Halbleiter: Diese bestehen aus Kombination von Elementen der III. (Bor, Aluminium, Gallium, Indium) und der V. Hauptgruppe (Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut) des Periodensystems (siehe Artikel "Anorganische Leuchtdioden" Kapitel II). Die am häufigsten eingesetzten Verbindungen sind GaP, GaS, InAs, InP, GaN,GaSb, AlN und AlGaAs. Sie finden bereits seit Jahrzehnten Verwendung in der Optoelektronik, Halbleiterlasern und Höchstfrequenzelektronik.
  • II-VI-Halbleiter: Verbindungen aus Elementen der 2. Nebengruppe (Zink und Cadmium) und der VI. Hauptgruppe (Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur). Hier sind besonders die Verbindungen CdSe, CdTe und ZnS für die Herstellung von Quantenpunkten wichtig. Zinkoxid (ZnO) findet in kristalliner Form oder (halb)leitende Beschichtung Verwendung in optoelektronischen und piezoelektrischen Komponenten.  Nanopartikel aus ZnO sind im sichtbaren Bereich des Lichts transparent, blockieren aber UV-Licht.
  • IV-Halbleiter (Elementhalbleiter): Die Halbleiter in der IV. Hauptgruppe, Silizium und Germanium, haben bisher keine große Rolle in der Quantenpunkt-Technologie gespielt, obwohl  sie mehr oder weniger die wichtigsten Elemente der klassischen Elektronik darstellen. Die Herstellung von Silizium-Quantenpunkte ist gegenwärtig (Februar 2015) noch zu aufwändig und somit zu teuer für Massenprodukte. Aber Silizium-Quantenpunkte haben in der Zukunft ein riesiges Potential, da sie sich  einfacher in die konventionelle Siliziumtechnolgie der Optoelektronik, Photovoltaik und Sensorik einfügen ließen.

2.2 Herstellung

Eine weitere Differenzierung von Quantenpunktarten ist über das Herstellungsverfahren möglich. Dieses ist letztlich auch entscheidend für die Herstellungskosten.
Quantenpunkte werden zur Zeit (Februar 2015) hauptsächlich mittels zweier Verfahren hergestellt.

2.2.1 Epitaxie

Als Epitaxi (von griechisch epi = obenauf und taxis = anordnen) wird ein Vorgang bezeichnet, bei der eine kristalline Schicht auf einem kristallinen Substrat abgelagert wird. In der Natur ist dies beispielsweise das Kristallwachstum bei Mineralien.
In industriellen Prozessen, z.B. bei der Herstellung von mikroelektronischen Komponenten, wird die Epitaxie verwendet um homogene, kristalline Schichten auf einem Substrat aus gleichem oder unterschiedlichen Material aufwachsen zu lassen. Hierzu können verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Zur Herstellung von Quantenpunkten wird oft die Molekularstrahlepitaxie (MBE) eingesetzt.
Bei diesem Prozess wird in einer Stahlkammer mittels Pumpen ein Hochvakuum erzeugt. Restgasatome werden chemisch ("Getterung") gebunden. Der zu behandelnde Wafer, z. B. ein GaAs-Einkristall, befindet sich in der Mitte der Vakuumkammer auf einem rotierenden Substrathalter. Der Wafer wird auf bis zu 600° aufgeheizt. In sogenannten Effusionszellen werden die Ausgangsstoffe (z.B. Indium und Arsen) für den Schichtaufbau stark erhitzt, verdampft und dann als Strahl in die Vakuumkammer mit dem Wafer geleitet. Schichtweise lagern sich die Atome bzw. Moleküle des Materialdampfes an das Substrat an.
Die Stärke einer einzelnen Schicht beträgt ein Atom oder Molekül. Eine solche einlagige Schicht wird als Monolayer bezeichnet. Die Atome in jedem Monolayer fügen sich in die Kristallstruktur der Unterlage ein und führen sie fort.

Wird auf eine einkristalline Schicht eine weitere mit einer geringfügig unterschiedlicher Kristallgitterstruktur aufgewachsen, treten Verspannungen innerhalb der Kristallstruktur auf, in denen Energie gespeichert ist. Nach wenigen Monolagen wachst das Kristall aufgrund der Verspannungen nicht mehr zweidimensional, sondern es bilden sich selbstorganisierend dreidimensionale Inseln, die Quantenpunkte, heraus. Die Quantenpunkte haben eine Höhe von ca. 2 nm und einen Durchmesser von 40 nm. Zwischen Inseln/Quantenpunkten verbleibt eine dünne Schicht, die Benetzungsschicht. In der Praxis werden anschließend noch weitere Schichten unterschiedlichen Materials zum mechanischen Schutz, zur chemischen Passivierung und als Kontaktierung auf den Quantenpunkt aufgedampft.

Abb. 2.01: Entstehung von Quantenpunkten durch Epitaxie
Abb. 2.01: Entstehung von Quantenpunkten durch Epitaxie
Abb. 2.02: Ein Quantenpunkt aus Indiumarsenid in einem Galliumarsenid-Kristall. Die Aufnahme entstand mittels Transmissionselektronenmikroskopie.
Abb. 2.02: Ein Quantenpunkt aus Indiumarsenid in einem Galliumarsenid-Kristall. Die Aufnahme entstand mittels Transmissionselektronenmikroskopie. [2]

2.2.2 Kolloidiale Synthese

Kolloide sind unlösliche, mikroskopisch kleine Partikel, die in einem sogenannten Dispersionsmedium gleichmäßig verteilt sind (so wie Milch aus Tröpfchen aus Butterfett (= Kolloide) in einer wässrigen Lösung (= Dispersionsmedium) besteht).
Zur Herstellung von Quantenpunkten mittels Kolloidialer Synthese [Video] werden Vorläuferstoffe aus Cadmium und Selen in einer Flüssigkeit (Dispersionsmedium) mit hoher Siedetemperatur (> 200°) unter einer Schutzgasatmosphäre gelöst. Durch Anlagern von Ionen bilden sich in der Dispersionsflüssigkeit Nanokristalle aus CdSe. Prozessgesteuert kann das Kristallwachstum gezielt bei der gewünschten Kristallgröße beendet werden [Video (ab 1:25)].  In einem weiteren Prozessschritt werden die Nanokristalle durch die Zugabe von Zinksulfid (ZnS), Cadmiumsulfid o.ä. mit einer Schale aus einem Halbleiter mit einer größeren Bandlücke umgeben. Diese Schale isoliert den Kern von der Umwelt und sorgt für eine Passivierung der Oberfläche. Zur weiteren Passivierung der Oberfläche kann eine dritte Schicht, eine Hülle aus Liganden, aufgebracht werden. Dieser organische Überzug aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen ist von seinen Eigenschaften her an die Verwendung des Endprodukts optimiert.
Im letzten Produktionsschritt werden die fertigen Quantenpunkte aus dem Dispersionsmedium ausgefällt [Video].

Abb. 2.03: Aufbau eines Kolloiden Quantenpunkts
Abb. 2.03: Aufbau eines Kolloiden Quantenpunkts

3. Entstehung der Lumineszenz

Die Lumineszenz eines Stoffes ist die Abstrahlung von Licht, die nicht aus der Abgabe von Hitze resultiert. Sie kann durch elektrische Energie, Photostimulation, chemischen Reaktionen oder auch mechanischen Druck auf ein Kristallgitter entstehen. In allen Fällen wird einem Stoff von außen Energie zugeführt, die dieser kurz speichert und dann in gleicher oder veränderter Form wieder abgibt. Lumineszenz liegt immer dann vor, wenn ein Elektron aus einem Zustand mit höherer Energie in einen Zustand niedrigerer Energie zurückfällt und die überschüssige Energie als Licht abgibt.
Die Wirkungsmechanismen der Lumineszenz in den verschiedenen Halbleitern ähneln sich sehr stark und lassen sich am einfachsten anhand des Bändermodells erklären.

3.1 Bändermodelle

3.1.1 Bändermodell für nicht dotierte Halbleiter

Abb. 3.01: Bändermodell für nicht dotierte Halbleiter
Abb. 3.01: Bändermodell für nicht dotierte Halbleiter


Undotierte Halbleiter (direkte Halbleiter) weisen eine gegenüber Isolatoren geringe Bandlücke auf. Die Fermi-Niveaus EF beider Bänder liegen mittig in der Bandlücke. Da dadurch die Energie, die ein Elektron zum Verlassen des Valenzbandes benötigt, relativ gering ist, befinden sich immer einige Elektronen im Leitungsband. 

Genauso leicht können sie unter Abgabe von Wärme in das Valenzband zurückfallen und mit einem Loch rekombinieren.  Für eine Lumineszenz reicht die abgegebene Energie nicht aus.
Abhängig von seinem Energieniveau ist ein Elektron innerhalb der beiden Bänder frei beweglich und kann jede mögliche Position im Band besetzen.
 

3.1.2 Bändermodell für anorganische LEDs

Abb. 3.02: Bändermodell für anorganische LEDs
Abb. 3.02: Bändermodell für anorganische LEDs

Bei dotierten Halbleitern befindet sich das Fermi-Niveau E des p-dotierten Halbleiters nahe des Valenzbandes und das des n-dotierten Halbleiters nahe dem Leitungsband. Die Fermi-Niveaus liegen nun auf unterschiedlichen Energiestufen, was im thermischen Gleichgewicht (=im ansteuerungslosen Zustand) aber ein "verbotener Zustand" ist.

Um in ein Gleichgewicht zu kommen, verschieben sich die Energiebänder bis die Fermi-Niveaus auf gleichem Level liegen. Nun können die frei beweglichen Elektronen in das p-Gebiet diffundieren und im Gegenzug die ebenfalls frei beweglichen Löcher in das n-Gebiet. Die entstehenden Diffusionsspannungen kompensieren sich. Der Übergang ist frei von Ladungsträgern. Mit dem Anlegen einer Gleichspannung in Durchlassrichtung werden durch ein Verschieben der Fermi-Niveaus die Potentialbarrieren verringert. Mehr Ladungsträger diffundieren in den Übergang. Elektronen und Löcher rekombinieren paarweise unter Abgabe eines Photons. Die LED leuchtet.

3.3 Quantisierte Atomorbitale

Abb. 3.03: Quantisierte Atomorbitale
Abb. 3.03: Quantisierte Atomorbitale

In den klassischen Atommodellen werden Atome so beschrieben, dass ein positiver Atomkern von einer von seiner Ladung abhängigen Anzahl von Elektronen umgeben ist. Diese halten sich in statistisch mehr oder weniger festen Orbitalen um den Kern auf.
Wenn einem Atom ein ausreichend großer Energiebetrag zugeführt wird, kann ein außen liegendes (Valenz-) Elektron diese Energie aufnehmen und in ein höher gelegenes Orbital wechseln.

Bereits nach kurzer Zeit (einige Nanosekunden) kann das angeregte Elektron seinen Energiezustand nicht mehr erhalten und fällt unter Abgabe der aufgenommenen Energie in Form eines Photons wieder in sein Ausgangsorbital zurück.

3.4 Bändermodell eines Quantenpunkts

Abb. 3.04: Energieverteilung in einem Quantenpunkt
Abb. 3.04: Energieverteilung in einem Quantenpunkt (Foto Quantenpunkt: [2])

Die Leitungsbandkante EC von Indiumarsenid (InAs) liegt energetisch niedriger als die von Galliumarsenid (GaAs). Umgekehrt verhält sich die Valenzbandkante EV. Dadurch ist die Bandlücke von InAs im Vergleich etwas enger als die von GaAs. Dieser Bereich reduzierter Potentiale wird als Quantentopf (quantum well; QW) bezeichnet. Die Ausdehnung (L) des Quantentopfes wird von der Größe des Quantenpunktes bestimmt. Die Energieniveaus, die ein Elektron innerhalb eines Quantentopfes annehmen kann, sind aufgrund der geringen räumlichen Ausdehnung extrem scharf begrenzt. Da dies mit den quantisierten Orbits der Elektronen um einen Atomkern vergleichbar ist, verhalten sich Quantenpunkte ähnlich wie Wasserstoffatome. Deshalb werden solche Gebilde gelegentlich auch als „Pseudo-Atome“ oder „künstliche Atome“ bezeichnet.
Wird ein Halbleiter mit Quantenpunkt mit Energie bestrahlt, das energiereicher als die Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband ist, werden im Leitungsband Elektronen und dazu parallel im Valenzband Defektelektronen ("Löcher") erzeugt. Diese aneinander gebundenen Elektron-Loch-Paare werden als Exzitonen bezeichnet. Die Bindungsenergie zwischen Elektron und Loch ähnelt der Bindung eines Elektrons und das Proton im Wasserstoffatom.

Das Elektron verliert allmählich Energie und "relaxiert" auf das im Band niedrigste verfügbare Niveau. Dieses befindet sich im Quantentopf.
Nach der normalen Lebensdauer des Exziton (ca. 1 ns) rekombinieren beide Bestandteile wobei sie die freiwerdende  Energie als ein einzelnes Photon abgegegeben wird. Die Wellenlänge des Photons ist abhängig von der Größe des Quantenpunkts. Je kleiner Quantenpunkt ist, desto weiter geht die Wellenlänge der Luminanzstrahlung in den grün-blauen Bereich des Spektrums.

Abb. 3.05: Die Größe eines Quantenpunkts bestimmt die abgegebene Farbe
Abb. 3.05: Die Größe eines Quantenpunkts bestimmt die abgegebene Farbe [3]

Quantenpunkte können auf zwei Arten aktiviert werden:

Photolumineszenz
  • aktiviert durch Lichtenergie
  • Umwandlung der Farbe des Lichts einer anderen Lichtquelle
  • benötigt Licht kürzerer Wellenlänge als die Eigenfarbe (wegen der höheren Energie)
Elektrolumineszenz
  • aktiviert durch elektrische Energie
  • direkte Emission von farbigem Licht
  • benötigt Ladungstransport-Filme
  • nur bei "QLEDs"

4. Anwendung von Quantenpunkten im Alltag

4.1 Beleuchtung

Nach dem verordneten Aus für die 200 Jahre alte Glühlampe haben nach und nach weiße LEDs Einzug in die Beleuchtungsindustrie gehalten. LEDs haben gegenüber Fluoreszenzlampen (= Energiesparlampen) den Vorteil, dass sie einen höheren Wirkungsgrad haben und kein Quecksilber enthalten. Beide Lampentypen haben jedoch den gemeinsamen Nachteil gegenüber der Glühlampe, dass sie ein "kaltweißes" Licht mit einer Farbtemperatur von 5500-6000 K abgeben. Das dem Menschen gefälligere "warmweiße" Licht hat eine Farbtemperatur von 2700-3000 K. Der Einsatz von Quantenpunkten kann nun dem LED-Licht die gewünschte "Wärme" verleihen.

Konventionelle weiße LEDs für Beleuchtungszwecke enthalten nur eine, blau strahlende, LED. Das LED-Kristall ist in eine transparente phosphoreszierende, meist Cer-dotiertes YAG (Yttrium-Aluminium-Granat), Silikonmasse eingegossen. Die YAG-Kristalle absorbieren einen Teil der Photonen des blauen LED-Lichts und geben sie mit niedrigerer Energie als gelbes oder amberfarbiges Licht wieder ab.

Abb. 4.01:  LED mit YAG-Lichtkonverter
Abb. 4.01: LED mit YAG-Lichtkonverter

Das weiße Licht entsteht also durch eine additive Farbmischung aus dem durch Lumineszenz entstandenen blauen Licht und dem durch Phosphoreszenz entstandenen gelben/amber Licht. Der hohe Anteil des blauen Lichts bzw. der geringe Anteil von rotem Licht im Spektrum verleiht dem LED-Licht seine "Kälte".

Abb. 4.02: Prinzip einer weißen LED mit Quantenpunkten
Abb. 4.02: Prinzip einer weißen LED mit Quantenpunkten

Die Quantenpunkte befinden sich in einer separaten Schicht um sie vor der im Kristall entstehenden Hitze zu schützen.
Zusammen mit dem verbliebenen blauen Licht erzeugt das von den roten und grünen Quantenpunkten abgegebene farbige Licht ein weißes Licht. Die Farbtemperatur des weißen Lichts ist abhängig von der Mischung der Quantenpunkte.

4.2 Quantenpunkt-LEDs (QLED, QDLED)

4.2.1 Aufbau und Funktion

 Lichtemittierende QLEDs oder QDLEDS (Quantum Dot LED) werden als Nachfolger bzw. Ersatz für die OLED gehandelt, da sie bei gleichen oder sogar besseren Leistungsmerkmalen etwa nur die Hälfte der Energie benötigen. Von der Struktur her sind sich beide sehr ähnlich.
Bei lichtemittierenden QLEDs werden die Quantenpunkte durch elektrische Energie aktiviert.

Abb. 4.03: Prinzipieller Aufbau einer QLED
Abb. 4.03: Prinzipieller Aufbau einer QLED

Die einfachste Konstruktion einer QLED bestände aus drei Schichten: eine Anode, eine Schicht aus Quantenpunkten und eine Kathode. Leider hätte eine solche QLED eine sehr kurze Lebensdauer. Chemische Reaktionen an den Kontaktflächen verändern mit der Zeit die molekulare Struktur und die elektrischen Eigenschaften an den Übergängen. Die Eigenschaften der QLED sind somit nicht langzeitstabil. Zusätzliche Schichten an den Elektroden (HIL = Hole Injection Layer / Lochinjektionsschicht und EIL = Elektron Injection Layer / Elektronen-Injektionsschicht) erleichtern den Übergang der Ladungsträger von den Elektroden in die jeweiligen Transportschichten.
Weitere Probleme bereitet die unterschiedliche Injektionseffizienz und die unterschiedliche Mobilität von Löchern und Elektronen. Eine Verbesserung bringt die Einführung von weiteren Schichten. Die Lochtransportschicht (HTL = Hole Transport Layer) besteht aus Materialien, die eine hohe Bandlücke haben und eine hohe Lochmobilität aufweisen. Die Elektronentransportschicht (ETL = Electron Transport Layer) weist ebenfalls eine größere Bandlücke auf. Diese Struktur der QLED gewährleistet eine ausgeglichene Ladungsträgeranzahl und -mobilität.
Die Energiedifferenz zwischen EML und HTL und die Energiedifferenz zwischen EML und ETL verhindern zusätzlich ein Eindringen von Elektronen/Exzitonen in die Anode und Löcher/Exzitonen in die Kathode.

Abb. 4.04: Lichtemittierende Quantenpunkt-LEDs
Abb. 4.04: Lichtemittierende Quantenpunkt-LEDs [4]

4.2.2 Herstellungsverfahren

Prinzipiell können  QLEDs mit zwei Verfahren hergestellt werden:

Phasenseparation

Das Phasenseparation-Verfahren eignet sich nur für die Herstellung flächiger, einfarbiger QLEDs. Eine Monoschicht aus Quantenpunkten kann mittels Spin Coating (Rotationsbeschichtung) aus einer Mischung von Lösungen von Quantenpunkten und TPD (N,N'-diphenyl-N,N'-di(3-methylphenyl)-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine, ein organischer Photoleiter/Lochleiter) auf einem Glassubstrat hergestellt werden. Während das Lösungsmittel verdunstet, entmischen sich Quantenpunkte und TPD. Die Quantenpunkte schwimmen auf dem Film auf und bilden nach dem Trocknen eine Monolage auf dem TPD.
Komplexe Displaystrukturen können mit diesem Verfahren nicht hergestellt werden.

Mikrokontaktdruck

Der Mikrokontaktdruck (Microcontact printing oder μCP) ist ein günstiges Verfahren um nahezu lösungsmittelfrei Dünnschichten oder Submikron-Strukturen zu vervielfältigen.
Ausgangspunkt ist ein Substrat aus Silizium. In einem photolithografischen Prozess wird dieses mit einem Negativ der gewünschten Strukturen versehen. Dieser Master wird mit einer Schicht flüssigem Polydimethylsiloxan (PDMS) überzogen. Das PDMS polymerisiert zunächst zu einer gummiartigen Substanz und härtet dann aus. Nach dem Entfernen vom Master kann das PDMS-Abbild wie ein Stempel verwendet werden. Nach dem Benetzen des Stempels mit gelösten Quantenpunkten werden diese als Monolage auf vorbereitete Träger durch Aufdrucken übertragen. Nach dem Abtrocknen können weitere Schichten (Injektions- und Transportschichten) mit entsprechenden Stempeln aufgetragen werden. Eine im Spincoat-Verfahren aufgetragene Deckschicht füllt die Strukturen auf und versiegelt sie vor Umwelteinflüssen.
Das Mikrokontaktdruckverfahren eignet sich zur Herstellung von mehrfarbigen QLEDs und QLED-Displays.

4.3 Quantenpunkt-Displays

4.3.1 Farbumfang

Quantenpunkt-Displays versprechen aufgrund ihrer schmalbandigen Abgabe von roten, grünem und blauen Lichts einen sehr großen Farbumfang (Gamut). Vergleicht man die Spektren von Quantenpunkt-Displays mit denen eines LCD-TV mit einem LED-Backlight fallen sofort die scharf umrissenen Linien der Lichtquellen auf (Abb. 4.05).  Diese hohe Farbsättigung der Grundfarben führt dazu, dass dem Menschen das Bild heller erscheint (sog.  Helmholtz-Kohlrausch-Effekt).

Abb. 4.05: Spektrum eines Quantenpunktdisplays
Abb. 4.05: Spektrum eines Quantenpunktdisplays
Abb. 4.06: Spektrum eines LCD-TV mit weißer LED (blaue LED mit YAG-Konvertierung)
Abb. 4.06: Spektrum eines LCD-TV mit weißer LED (blaue LED mit YAG-Konvertierung)

Das Licht einer weißen YAG-LED ist vielfarbig (rote Linie). Viel Lichtenergie geht in die nicht gewünschten Spektralanteile, was zu einer Entsättigung der Primärfarben führt.

Abb. 4.07: CIE-Farbmodell mit den RGB-Farbräumen
Abb. 4.07: CIE-Farbmodell mit den RGB-Farbräumen

LCD-Displays mit weißen LEDs als Backlight vermögen gerade einmal etwa 72% des NTSC 1953 Farbumfanges darzustellen. Mit Quantenpunkt-Technologie ist es ohne großen technischen Aufwand möglich 100% oder sogar darüber zu erreichen.

Abb. 4.08: Vergleich Kindle Fire HDX ohne und mit Quantenpunkt-Technologie (Quantenpunktfolie von 3M/nanosys)
Abb. 4.08: Vergleich Kindle Fire HDX ohne und mit Quantenpunkt-Technologie (Quantenpunktfolie von 3M/nanosys) [5]

4.3.2 Aufbau von Quantenpunkt-Displays

Im Kapitel "3.4 Bändermodell eines Quantenpunkts" wurde beschrieben, dass Quantenpunkte mit Licht oder mit elektrischen Feldern aktiviert werden können. Beide Prinzipien erfordern sehr von einander unterschiedliche Ansteuerungstechnologien. Daher kann man (zur Zeit) grundsätzlich zwei Konstruktionsweisen von Quantenpunkt-Displays unterscheiden.

4.3.2.1 LCD-Display mit Quantenpunkt-Backlight

Die Basis für diesen Typ von Display ist ein LCD-Display ganz konventioneller Bauweise. Um die Vorzüge eines Quantenpunkt-Displays zu erzielen wird lediglich die Hintergrundbeleuchtung (Backlight) modifiziert. Derzeit kommen dabei zwei Konstruktionsweisen zum Einsatz:

  • Blaue LEDs mit Glasröhren in denen sich Quantenpunkte in einer transparenten Matrix befinden (Color IQ von QD Vision)
  • Blaue LEDs mit einer Quantenpunktfolie (QDEF = Quantum Dot Enhancement Film von 3M / nanosys).
LED-Backlight mit Color IQ-Quantenpunktröhren

LED-Backlight mit Color IQ-Quantenpunktröhren werden in Geräte mit Edge-Backlight integriert. Als Lichtquelle dienen mehrere blaue LEDs. Vor diesen befindet sich ein Color IQ-Rohr, in dem sich die roten und grünen Quantenpunkte befinden. Vom blauen Licht angeregt geben sie die aufgenommene Energie wieder als Licht in ihren spezifischen Farben ab. Zusammen mit dem direkten blauen Licht ermischt sich ein rein weißes Licht, das von der Lichtleiterplatte über den ganzen Bildschirm verteilt wird.
Nachteilig bei dieser Konstruktion ist, dass sich die empfindlichen Quantenpunkte sehr nah an den LEDs, die eine erhebliche Wärmeabstrahlung haben, befinden.

Abb. 4.09: Funktionsweise eines Backlights mit Quantenpunktrohr
Abb. 4.09: Funktionsweise eines Backlights mit Quantenpunktrohr
Abb. 4.10: Quantenpunktröhrchen "Color IQ" von QD Vision
Abb. 4.10: Quantenpunktröhrchen "Color IQ" von QD Vision [6]
Backlight mit Quantenpunktfolie

Eine weitere Bauform ist das Backlight mit Quantenpunktfolie. Diese Konstruktionsweise vermindert die Hitzebelastung der Quantenpunkte. Die Quantenpunktfolie kann leicht in bestehende Displaykonstruktionen integriert werden indem sie in den Stapel der optischen Folien eingefügt wird. Die meisten LCD-Panels haben in diesem Stapel zumeist eine Diffusorfolie oder -platte. Da die Quantenpunktfolie lichtstreuende Eigenschaften hat, kann sie zugleich die Diffusorfolie ersetzen.

Abb. 4.11: Aufbau eines Backlights mit Quantenpunktfolie
Abb. 4.11: Aufbau eines Backlights mit Quantenpunktfolie

Die Quantenpunktfolie QDEF von 3M besteht aus drei Schichten. Die äußeren Lagen bilden eine Sperre und schützen die Quantenpunktschicht vor Wasserdampf und Sauerstoff. Zwischen den äußeren Folien einlaminiert befindet sich eine Polymermatrix, in der die roten und grünen Quantenpunkte fein verteilt sind. Die Menge und das Mischungsverhältnis der Quantenpunkte zueinander ist abhängig vom Display.

Abb. 4.12: Aufbau einer Quantenpunktfolie
Abb. 4.12: Aufbau einer Quantenpunktfolie

Allerdings ist der Wirkungsgrad einer Quantenpunktfolie weniger hoch als der eines Quantenpunktrohres, sodass mehr Quantenpunkte ( = höhere Herstellungskosten) benötigt werden.

4.3.2.2 Quantenpunkt-Display mit QLEDs

Quantenpunkt-Displays mit QLEDs befinden sich zur Zeit (Februar 2015) erst in der Entwicklung und haben nicht mehr als einen Laborstatus. Wann erste Produkte zu erwarten sind, ist nicht absehbar.

Abb. 4.13: Prinzipieller Aufbau von QLED-Displays
Abb. 4.13: Prinzipieller Aufbau von QLED-Displays

Abbildung 4.13 stellt die beiden grundsätzlich möglichen Varianten von farbigen QLED-Displays gegenüber:
Das direkt RGB-emittierende QLED-Display (links) verwendet für jedes Subpixel einen eigenen QLED-Stapel mit seiner in der jeweiligen Farbe emittierenden Quantenpunktschicht.
Der weiß leuchtende QLED-Stapel im rechts dargestellten Display wird von mehreren Pixel-Elektroden (Anoden) angesteuert. Die einzelnen Subpixel verfügen über Farbfilter (RGB) über die wie bei einem LCD-Display die Pixelfarbe passiv ermischt wird.
Die Ansteuerung der Pixel erfolgt über eine Passive oder Aktive Matrix wie sie im Artikel "OLED-Displays" beschrieben sind.

5. Einfluss von Quantenpunkten auf die Umwelt

Die Verwendung von Quantenpunkten in Massenprodukten ist nicht unbedenklich, da die meisten zur Zeit verwendeten Quantenpunkte Cadmium enthalten. Cadmium ist ein zu den Übergangsmetallen gehörendes Element. Wegen seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften ist es in der Vergangenheit vielfach in Farben, Beschichtungen und als Zusatzstoff in vielen Produkten eingesetzt worden. Erst spät ist seine hohe Toxizität erkannt worden. Durch eine Anreicherung im Körper über Jahre hinweg können chronische Vergiftungen hervorgerufen werden, die u.a. zu Schäden am Zentralnervensystem, am Immunsystem und an der DNA verursachen. Extreme Vergiftungen führen zur Itai-Itai-Krankheit (bei Menschen) und der Gressenicher Krankheit (bei Weidevieh). Seit 2011 gilt daher in der EU ein verschärftes Verbot von Cadmium in vielen Produkten und Werkstoffen (z.B. Lötzinn).
Dieses Verbot musste für die Einführung von LCD-Displays und Beleuchtungskörper mit Quantenpunkttechnik zweimal gelockert werden. Für die ersten Geräte, die 2013 verkauft werden sollten, wurde eine Ausnahmegenehmigung ("Exemption 39") bis Juli 2015 erteilt. Bis dahin sollte der Einfluss von cadmiumhaltigen Quantenpunkt-Displays auf die Umwelt untersucht werden. Mit der Untersuchung wurde das Oeko-Institut in Freiburg betraut. Das Resultat der Untersuchung bewirkte eine Verlängerung der Ausnahmegenehmigung (im Januar 2015) bis zum 30.06.2018 unter der Voraussetzung, dass der Cadmiumgehalt 0,2 μg/mm2 Displayfläche nicht überschreitet. Diese zweite Ausnahmegenehmigung soll der Industrie Zeit verschaffen den Cadmiumanteil in den Displays zu verringern bzw. cadmiumfreie Quantenpunkte zu entwickeln.

Der tatsächliche Cadmiumgehalt bei Displays liegt schon heute deutlich unter diesem Wert. Quantenpunktfolien enthalten ca. 0,03-0,05 μg/mm2, was sich bei einem größeren Display insgesamt auf ca. 40mg summiert. Quantenpunktröhren enthalten auf die Bildschirmflache umgerechnet sogar nur 0,0015 μg/mm2. Ein größerer Bildschirm enthält so ca. 1,5mg Cadmium.

Neben den negativen Einflusses durch das Cadmium kann die Quantenpunkttechnologie auch positive Auswirkungen auf die Umwelt haben. Quantenpunkte können die Effizienz von Beleuchtungskörpern um über 30% steigern, was zu riesigen Energieeinsparungen und eine geringere CO2-Belastung führen kann ((b)/(c)). Da durch die Einsparung von fossilen Brennstoffen auch weniger natürliches Cadmium freigesetzt wird, könnte die Cadmium-Bilanz sogar positiv ausfallen.
Da Quantenpunkte aus einfach verfügbaren Stoffen hergestellt werden können, verringert sich auch der Bedarf an Seltenen Erden (wie sie bislang als Leuchtstoffe eingesetzt wurden), die mittlerweile zu strategischen und extrem teuren Handelsgütern geworden sind (a).

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Foto: "Quantenpunkte mit Emissionsmaxima ..." Lizenz: Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported und GNU Free Documentation License Version 1.2 or any later via Wikimedia Commons; Quelle: Quantum_Dots_with_emission_maxima_in_a_10-nm_step_are_being_produced_at_PlasmaChem_in_a_kg_scale.jpg By Antipoff (http://http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Quantum_Dots_with_emission_maxima_in_a_10-nm_step_are_being_produced_at_PlasmaChem_in_a_kg_scale.jpg)

[2] Foto "Quantenpunkt aus Indiumarsenid in einem Galliumarsenid-Kristall" © Arne Ludwig und Jean-Michel Chauveau
Quelle: Ruhr-Universität Bochum Presseinformation 218 (29.07.2013) "Ladungsinseln im Kristall"
http://aktuell.ruhr-uni-bochum.de/pm2013/pm00218.html.de

[3] Abb. 3.05: Quelle: Nanosys. Zeichnung neu erstellt und übersetzt durch InfoTip.

[4] Abb. 4.04: Lichtemittierende Quantenpunkt-LEDs Quelle: qd Vision

[5] Abb. 4.08: Vergleich Kindle Fire HDX... Quelle: nanosys  http://www.nanosysinc.com/media-room/media/parrot.png

[6] Abb. 4.10: Quantenpunktröhrchen "Color IQ" Quelle: qd Vision

 

Weblinks

Dokumente

www.nano.physik.uni-muenchen.de/education/praktika/f1_lumineszenz_an_quantenpunkten_k2.pdf

Bericht des Oeko-Instituts zur Ausnahmeregelung für Cadmium in Quantenpunkten:
http://rohs.exemptions.oeko.info/fileadmin/user_upload/RoHS_IX/20140422_RoHS2_Evaluation_Ex_Requests_2013-1-5_final.pdf

(a) Seth Coe-Sullivan: Quantum Dots: Assessing the Impact within Lighting and Displays
http://nano.gov/sites/default/files/energy_-_coe-sullivan.pdf

(b) Seth Coe-Sullivan: Quantum Dots for Displays and Lighting
http://www.appliednanotech.net/temp/qd_vision_sid_texas_webinar_preso.pdf

(c)http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/coe-sullivan_qdv_sandiego2014.pdf

Videos

Interview mit Louis E. Brus über die Entdeckung von Quantenpunkten: https://www.youtube.com/watch?v=2aqDScoXOwA#t=23
Herstellung von Quantenpunkten:
https://www.youtube.com/watch?v=s3H0_8TLs-A
https://www.youtube.com/watch?v=bNuoYm7Su4o&list=PLRdYGiGbAF4J6lkCxxUFhBRExxH2l3tN9
Separation von Quantenpunkten:
https://www.youtube.com/watch?v=B_w6moRxIaU&index=7&list=PLRdYGiGbAF4J6lkCxxUFhBRExxH2l3tN9

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