Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit von Quanten-LEDs durch einen Erregungsspeichereffekt

15. März 2025

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Licht emittierende Dioden (LEDs) sind weit verbreitete elektrolumineszente Geräte, die Licht als Reaktion auf eine angelegte elektrische Spannung abgeben. Diese Geräte sind zentrale Komponenten verschiedener elektronischer und optoelektronischer Technologien, einschließlich Displays, Sensoren und Kommunikationssysteme.

In den letzten Jahrzehnten haben einige Ingenieure alternative LEDs entwickelt, bekannt als Quantum LEDs (QLEDs), die Quantenpunkte (d.h. nm-große halbleitende Partikel) als lichtemittierende Komponenten anstelle von herkömmlichen Halbleitern verwenden. Im Vergleich zu traditionellen LEDs könnten diese auf Quantenpunkten basierenden Geräte eine bessere Energieeffizienz und Betriebsstabilitäten erreichen.

Trotz ihres Potenzials wurde bisher festgestellt, dass die meisten bisher entwickelten QLEDs signifikant langsamere Reaktionsgeschwindigkeiten aufweisen als typische LEDs, die anorganische III-V-Halbleiter verwenden. Mit anderen Worten benötigen sie länger, um in Reaktion auf eine angelegte elektrische Spannung Licht abzugeben.

Forscher der Universität Zhejiang, der Universität Cambridge und anderer Institute haben kürzlich gezeigt, dass QLEDs einen Anregungsspeichereffekt aufweisen, der dazu beitragen könnte, ihre Reaktionsgeschwindigkeit zu verbessern. Ihr vorgeschlagener Ansatz, der in einer Studie veröffentlicht in Nature Electronics dargelegt wird, besteht im Wesentlichen darin, die Fähigkeit der Geräte zu nutzen, Licht als Reaktion auf elektrische Impulse abzugeben und deren "Gedächtnis" früherer elektrischer Eingaben auszunutzen.

'Der jüngste Fortschritt bei der Entwicklung von organischen LEDs für die sichtbare Lichtkommunikation war die Hauptinspiration für unsere Studie, da sie zeigte, dass LEDs mehr als nur für die Display-Technologie verwendet werden können', sagten Dr. Yunzhou Deng an der Universität Cambridge und Prof. Yizheng Jin an der Universität Zhejiang, zwei Autoren der Studie, gegenüber Phys.org.

'Quantum-Dot-LEDs (QLEDs) sind eine aufstrebende Klasse von LEDs, die für ihre hohe Effizienz, Helligkeit und Stabilität bekannt sind und damit vielversprechende Kandidaten als Lichtquellen für die optische Kommunikation sind.'

Das ursprüngliche Ziel dieser Studie von Dr. Deng, Prof. Jin und ihren Kollegen war es, besser zu verstehen, wie QLEDs auf gepulste elektrische Anregungen reagieren. Dennoch führten ihre Experimente zu unerwarteten Erkenntnissen, auf denen sie aufbauten, um neue Hochgeschwindigkeits-QLEDs auf der Grundlage spezialisierter Mikrostrukturen zu entwerfen.

'Für unsere Studie verwendeten wir transienten Elektrolumineszenzmessungen, die darauf abzielen, zu verfolgen, wie schnell die LED eingeschaltet oder ausgeschaltet wird als Reaktion auf eine Spannungspuls-Eingabe,' erklärte Dr. Deng. 'Mithilfe eines Oszilloskops überwachten wir, wie sich die Emissionsintensität im Laufe der Zeit als Reaktion auf mikrosekundenlange elektrische Impulse entwickelte. Durch Tests von QLEDs unter verschiedenen gepulsten Anregungsbedingungen haben wir wichtige Einblicke in ihr Reaktionsverhalten gewonnen.'

Die Tests der Forscher zeigten, dass die elektrolumineszenten Reaktionen von QLEDs durch Überreste von elektrischen Pulsen beeinflusst werden, die in der Vergangenheit auf sie angewendet wurden. Dieser beobachtete Anregungsspeichereffekt wurde mit Energiezuständen in Verbindung gebracht, die als tiefe Lochfallen bekannt sind und in den amorphen Polymerschaltern im Gerät existieren.

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'Unsere bedeutendste Entdeckung ist, dass QLEDs einen Anregungsspeichereffekt aufweisen, was bedeutet, dass sie sich selbst "an die pulsierenden Anregungen erinnern", sogar Millisekunden nachdem sie ausgeschaltet wurden,' sagten Dr. Deng und Prof. Jin. 'Deshalb reagieren die Geräte bei höheren Pulsfrequenzen schneller. Dieser Effekt ermöglicht QLEDs, bei hohen Modulationsfrequenzen von über 100 MHz zu arbeiten und macht sie zu starken Kandidaten für Hochgeschwindigkeitsanwendungen in der optischen Kommunikation.'

Um die vielversprechende Zukunft ihres Ansatzes zu demonstrieren, entwarfen die Autoren ein Mikro-QLED mit niedriger Kapazität und einer -3 dB-Bandbreite von bis zu 19 MHz, das den beobachteten Anregungsspeichereffekt nutzt. Dieses QLED wies eine elektrolumineszente Modulationsfrequenz von 100 MHz und Datenübertragungsraten von bis zu 120 Mbps auf, während es eine gute Energieeffizienz beibehielt.

Die Ergebnisse dieser Studie könnten bald dazu beitragen, die weitere Entwicklung der QLED-Technologie voranzutreiben und möglicherweise den Weg für deren Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen ebnen. Die Forscher planen derweil, die von ihnen beobachtete Wirkung weiter zu erforschen und gleichzeitig die Reaktionszeiten von QLEDs noch weiter zu beschleunigen.

'Um die Reaktionsgeschwindigkeit des Geräts weiter zu beschleunigen, müssen wir neue Quantenpunktmaterialien mit schnelleren Rekombinationsraten entwickeln', fügten Dr. Deng und Prof. Jin hinzu. 'Dies wird die Erkundung neuer Zusammensetzungen und Kern-Schale-Nanostrukturen umfassen. Darüber hinaus könnte die Verbesserung des Anregungsgedächtniseffekts durch Modifizierung der organischen Komponenten im Gerät zu noch interessanteren transienten Verhaltensweisen führen.' Weitere Informationen: Xiuyuan Lu et al, Accelerated response speed of quantum-dot light-emitting diodes by hole-trap-induced excitation memory, Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01350-0 Journal Informationen: Nature Electronics © 2025 Science X Netzwerk