Rede WeDoAny, recentemente, o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, e o Samsung Advanced Institute of Technology, na Coreia do Sul, desenvolveram um método de encapsulamento com resina acrílica que prolonga significativamente a vida útil de diodos emissores de luz de pontos quânticos sem cádmio. Entre eles, a vida útil do QD-LED azul, após conversão das condições de teste, aumentou mais de 5.000 vezes. A equipe de pesquisa também identificou a causa principal da falha do dispositivo: espécies ativas de hidrogênio e oxigênio geradas e migradas durante o processo de energização alteram gradualmente a microestrutura dos pontos quânticos e das camadas funcionais adjacentes. Os resultados foram publicados na revista Science Advances.
Esta pesquisa não aborda as "telas de retroiluminação de pontos quânticos" comuns no mercado atual de TVs. Algumas TVs QLED existentes ainda utilizam LEDs tradicionais para retroiluminação, sendo que os pontos quânticos são responsáveis principalmente por absorver e converter a luz. Já os QD-LEDs injetam diretamente elétrons e lacunas na camada emissora de pontos quânticos, que por si só geram luz vermelha, verde e azul. Suas vantagens são um espectro de emissão mais estreito, maior pureza de cor, possibilidade de simplificar ainda mais a estrutura do dispositivo e aplicabilidade em displays flexíveis e de grande área.
O verdadeiro obstáculo para a comercialização dos QD-LEDs é a vida útil, especialmente dos dispositivos azuis. Os fótons azuis têm energia mais alta que os vermelhos e verdes, exigindo requisitos mais rigorosos para o material de pontos quânticos, a estrutura da interface e o equilíbrio de cargas. Testes do MIT nos EUA mostraram que a estabilidade dos QD-LEDs azuis é cerca de 50 a 100 vezes menor que a dos dispositivos vermelhos e verdes. Quando usados em displays coloridos, os subpixels azuis podem degradar primeiro, causando desvio de cor e redução do brilho da tela.
Os dispositivos fabricados pela equipe são compostos por múltiplas camadas nanométricas sobrepostas, com estrutura básica incluindo eletrodo de óxido de índio e estanho, camada de injeção de lacunas, camada de transporte de lacunas, camada emissora de pontos quânticos, camada de transporte de elétrons de nanopartículas de óxido de zinco e magnésio e eletrodo de alumínio. Os dispositivos vermelhos usam pontos quânticos de núcleo-casca InP/ZnSe/ZnS, enquanto os azuis usam pontos quânticos ZnTeSe/ZnSe/ZnS. Toda a região emissora tem espessura nanométrica; qualquer afinamento, coalescência de partículas ou migração de elementos em qualquer camada pode desequilibrar a injeção de elétrons e lacunas.
Para entender o que realmente acontece dentro do dispositivo, os pesquisadores usaram feixe de íons focalizados para cortar os QD-LEDs em seções finas com menos de 200 nanômetros de espessura e, em seguida, compararam dispositivos novos e envelhecidos usando microscopia eletrônica de transmissão. Os resultados mostraram que, após energização contínua, a camada de transporte de elétrons, a camada emissora de pontos quânticos e a camada orgânica de transporte de lacunas apresentaram densificação e redução de espessura. As nanopartículas inicialmente separadas gradualmente se tornaram mais grossas e coalesceram, e alguns pontos quânticos perderam seu contorno original.
Essa degradação não é apenas o material "queimado". A análise elementar revelou que, durante a operação do dispositivo, surgem espécies ativas de hidrogênio e oxigênio que se difundem entre as diferentes camadas funcionais, com o oxigênio se acumulando na interface entre o eletrodo de alumínio e a camada de transporte de elétrons de óxido de zinco e magnésio. Experimentos in situ de microscopia eletrônica de transmissão confirmaram ainda que, na presença de espécies ativas de hidrogênio, a taxa de coalescência das nanopartículas de óxido de zinco e magnésio acelera. Após a mudança na estrutura das partículas, os caminhos de transporte de elétrons e os níveis de energia da interface se alteram, resultando em um desequilíbrio na quantidade de elétrons e lacunas recebidos pelos pontos quânticos, aumento da recombinação não radiativa e, finalmente, redução do brilho e da eficiência.
A função do encapsulamento com resina acrílica não é adicionar uma camada protetora aos próprios pontos quânticos, mas sim colocar a resina entre o eletrodo e o vidro de encapsulamento após a fabricação do dispositivo, alterando o ambiente químico interno. Os resultados experimentais indicam que a resina pode inibir a formação e migração de espécies ativas de hidrogênio e oxigênio, reduzir a coalescência de partículas na camada de transporte de elétrons e na camada de pontos quânticos, e impedir o afinamento contínuo da estrutura multicamadas. A equipe de pesquisa acredita que a resina também pode inibir a formação de umidade no ambiente gasoso interno do dispositivo, sendo a umidade um dos fatores importantes que causam a degradação do material.
O teste de vida útil utilizou o indicador LT50, que é o tempo de operação necessário para o brilho do dispositivo cair para 50% do valor inicial. O LT50 do dispositivo azul sem encapsulamento de resina foi de apenas 0,2 horas, enquanto após o encapsulamento atingiu 115,5 horas, e o dispositivo encapsulado apresentou brilho inicial mais alto durante o teste. Os pesquisadores, combinando o coeficiente de aceleração do brilho, converteram os dois conjuntos de dados para 100 candelas por metro quadrado, obtendo um aumento de vida útil de mais de 5.000 vezes. Já o LT50 do dispositivo vermelho aumentou de 22,1 horas para 189,9 horas, um aumento de cerca de 8 vezes.
"Aumento de 5.000 vezes" não pode ser interpretado diretamente como a vida útil da TV já ter sido prolongada em 5.000 vezes. Esse número vem de resultados de conversão de dispositivos experimentais sob condições específicas de corrente, brilho e aceleração. Atualmente, a vida útil dos dispositivos azuis ainda não atende totalmente aos requisitos de uso em produtos eletrônicos de consumo em larga escala. O encapsulamento com resina também não eliminou todos os caminhos de degradação, e a equipe continua pesquisando a adição de outras camadas funcionais para melhorar ainda mais a eficiência luminosa e a estabilidade a longo prazo.
O valor desta tecnologia reside no fato de que a etapa de encapsulamento é relativamente simples, não exigindo redesenho do material de pontos quânticos ou mudança completa do processo de produção de QD-LEDs, sendo possível sua introdução nos processos de fabricação de dispositivos de filme fino existentes. Se problemas de confiabilidade a longo prazo, consistência de pixels e fabricação em grande área forem resolvidos no futuro, a tecnologia de pontos quânticos eletroluminescentes poderá ser usada em TVs de tela plana, smartphones, headsets de realidade aumentada/realidade virtual, imagens médicas e iluminação de grande área, podendo também se estender a sensores e lasers.