Réseau Dimension, récemment, le Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis et le Samsung Advanced Institute of Technology en Corée du Sud ont mis au point une méthode d'encapsulement à base de résine acrylique, prolongeant considérablement la durée de fonctionnement des diodes électroluminescentes à points quantiques sans cadmium. La durée de vie des QD-LED bleues, après conversion des conditions de test, a été multipliée par plus de 5 000. L'équipe de recherche a également identifié la cause clé de la défaillance des dispositifs : les espèces actives d'hydrogène et d'oxygène générées et migrant pendant le fonctionnement modifient progressivement la microstructure des points quantiques et des couches fonctionnelles adjacentes. Les résultats ont été publiés dans Science Advances.
Cette recherche ne porte pas sur les « écrans à rétroéclairage à points quantiques » couramment présents sur le marché des téléviseurs. Certains téléviseurs QLED actuels utilisent encore des LED traditionnelles pour le rétroéclairage, les points quantiques étant principalement responsables de l'absorption et de la conversion de la lumière. Les QD-LED, quant à elles, injectent directement des électrons et des trous dans la couche émettrice de points quantiques, qui génère elle-même la lumière rouge, verte et bleue. Leurs avantages sont un spectre d'émission plus étroit, une pureté de couleur plus élevée, une structure de dispositif potentiellement simplifiée, et une adaptabilité aux écrans flexibles et de grande surface.
Ce qui freine véritablement la commercialisation des QD-LED, c'est leur durée de vie, en particulier pour les dispositifs bleus. L'énergie des photons bleus étant supérieure à celle des photons rouges et verts, elle impose des exigences plus élevées aux matériaux à points quantiques, à la structure des interfaces et à l'équilibre des charges. Le MIT a constaté que la stabilité des QD-LED bleues est environ 50 à 100 fois inférieure à celle des dispositifs rouges et verts. Lorsque ces dispositifs sont utilisés pour un affichage en couleurs, les sous-pixels bleus peuvent se dégrader en premier, entraînant une dérive des couleurs et une diminution de la luminosité de l'écran.
Les dispositifs fabriqués par l'équipe de recherche sont constitués de multiples couches de nanomatériaux empilées. La structure de base comprend, dans l'ordre, une électrode en oxyde d'indium-étain, une couche d'injection de trous, une couche de transport de trous, une couche émettrice de points quantiques, une couche de transport d'électrons en nanoparticules d'oxyde de zinc-magnésium, et une électrode en aluminium. Les dispositifs rouges utilisent des points quantiques à coque cœur InP/ZnSe/ZnS, tandis que les dispositifs bleus utilisent des points quantiques ZnTeSe/ZnSe/ZnS. L'ensemble de la zone émettrice n'a qu'une épaisseur nanométrique ; tout amincissement, agglomération de particules ou migration d'éléments dans une couche peut perturber l'équilibre d'injection des électrons et des trous.
Pour observer ce qui se passe à l'intérieur du dispositif, les chercheurs ont utilisé un faisceau d'ions focalisé pour découper les QD-LED en sections minces de moins de 200 nanomètres d'épaisseur, puis ont comparé les dispositifs neufs et vieillis au microscope électronique à transmission. Les résultats ont montré qu'après un fonctionnement continu, la couche de transport d'électrons, la couche émettrice de points quantiques et la couche organique de transport de trous présentaient toutes un compactage et une diminution d'épaisseur. Les nanoparticules initialement séparées se sont progressivement épaissies et agglomérées, et certains points quantiques ont perdu leur contour d'origine.
Cette dégradation n'est pas simplement due à un « grillage » du matériau. L'analyse élémentaire a révélé que des espèces actives d'hydrogène et d'oxygène apparaissent pendant le fonctionnement du dispositif et diffusent entre les différentes couches fonctionnelles. L'oxygène s'accumule à l'interface entre l'électrode en aluminium et la couche de transport d'électrons en oxyde de zinc-magnésium. Des expériences de microscopie électronique à transmission in situ ont confirmé qu'en présence d'espèces actives d'hydrogène, la vitesse d'agglomération des nanoparticules d'oxyde de zinc-magnésium s'accélère. Après le changement de structure des particules, les chemins de transport des électrons et les niveaux d'énergie aux interfaces sont modifiés, entraînant un déséquilibre entre le nombre d'électrons et de trous reçus par les points quantiques, une augmentation des recombinaisons non radiatives, et finalement une baisse de la luminosité et de l'efficacité.
Le rôle de l'encapsulement en résine acrylique n'est pas d'ajouter une simple couche de protection aux points quantiques eux-mêmes, mais de placer la résine entre l'électrode et le verre d'encapsulation après la fabrication du dispositif, modifiant ainsi l'environnement chimique interne. Les résultats expérimentaux montrent que la résine peut inhiber la formation et la migration des espèces actives d'hydrogène et d'oxygène, réduire l'agglomération des particules dans la couche de transport d'électrons et la couche de points quantiques, et empêcher l'amincissement continu de la structure multicouche. L'équipe de recherche estime que la résine pourrait également empêcher la formation d'humidité dans l'environnement gazeux interne du dispositif, l'humidité étant l'un des facteurs importants de dégradation des matériaux.
Les tests de durée de vie ont utilisé l'indicateur LT50, c'est-à-dire le temps de fonctionnement nécessaire pour que la luminosité du dispositif tombe à 50 % de sa valeur initiale. Le LT50 du dispositif bleu non encapsulé n'était que de 0,2 heure, contre 115,5 heures après encapsulation, et la luminosité initiale du dispositif encapsulé était plus élevée lors des tests. En combinant le coefficient d'accélération de la luminosité, les chercheurs ont converti les deux ensembles de données à 100 candelas par mètre carré, obtenant ainsi une multiplication par plus de 5 000 de la durée de vie. Le LT50 du dispositif rouge est passé de 22,1 heures à 189,9 heures, soit une multiplication par environ 8.
« Multiplier par 5 000 » ne signifie pas directement que la durée de vie des téléviseurs a été prolongée de 5 000 fois. Ce chiffre provient de la conversion des résultats des dispositifs expérimentaux dans des conditions spécifiques de courant, de luminosité et d'accélération. La durée de vie actuelle des dispositifs bleus n'a pas encore pleinement atteint les exigences d'utilisation des produits électroniques grand public. L'encapsulement en résine n'élimine pas non plus toutes les voies de dégradation. L'équipe étudie également l'ajout d'autres couches fonctionnelles pour continuer à améliorer l'efficacité lumineuse et la stabilité à long terme.
La valeur de cette technologie réside dans la relative simplicité de l'étape d'encapsulement, qui ne nécessite pas de reconcevoir les matériaux à points quantiques ni de modifier radicalement le processus de production des QD-LED, et qui est potentiellement intégrable aux procédés de fabrication existants des dispositifs à couches minces. Si les problèmes de fiabilité à long terme, d'uniformité des pixels et de fabrication sur grande surface peuvent être résolus à l'avenir, la technologie des points quantiques électroluminescents pourrait être utilisée dans les téléviseurs à écran plat, les smartphones, les casques AR/VR, l'imagerie médicale et l'éclairage sur grande surface, et pourrait même s'étendre aux capteurs et aux lasers.