Um novo estudo liderado por pesquisadores do MIT pode impulsionar o desenvolvimento de telas digitais mais eficientes em termos de energia — como TVs de tela plana, headsets de realidade aumentada e virtual, telas de smartphones, dispositivos de imagem médica e até mesmo superfícies de iluminação ambiente de grande área — que também geram cores mais ricas e brilhantes.

Os cientistas do MIT, em colaboração com pesquisadores da Samsung, estudaram as mudanças microscópicas que ocorrem dentro de LEDs que utilizam pontos quânticos excitados eletricamente, que são partículas semicondutoras em nanoescala com formato preciso que emitem luz colorida extremamente pura. 

Os pontos quânticos são atualmente usados em alguns dos monitores de computador e televisores com a melhor qualidade de imagem disponível. A eficiência desses monitores poderia ser ainda mais aprimorada, e seu processo de fabricação ainda mais simplificado, se os pontos quânticos pudessem ser excitados eletricamente, como foi demonstrado pela primeira vez nas estruturas de LED de ponto quântico (QD-LED) há mais de 20 anos . 

No entanto, as limitações na vida útil desses QD-LEDs impediram seu uso generalizado em aplicações comerciais.

O novo estudo demonstra como o encapsulamento de QD-LEDs em uma resina à base de acrilato pode prolongar sua vida útil, minimizando a degradação física que ocorreria durante o funcionamento dos QD-LEDs. 

Os pesquisadores demonstraram que o encapsulamento de LEDs de pontos quânticos (QD-LEDs) com uma camada de resina, utilizando um processo simples e escalável, aumenta a estabilidade e o desempenho. Em alguns dispositivos, o encapsulamento com resina possibilitou um aumento de 5.000 vezes na vida útil. Mais importante ainda, o estudo revela as razões fundamentais pelas quais o encapsulamento com resina é eficaz.

“Os insights sobre como e por que os LEDs de pontos quânticos são modificados durante sua operação abrem a possibilidade de solucionar todos os obstáculos à comercialização de telas de LEDs de pontos quânticos. Essa tecnologia pode fornecer uma fonte de luz como nunca antes vista — pura em cores, extremamente fina e de grande área, transformando a maneira como produzimos tanto telas quanto iluminação geral”, afirma Vladimir Bulovic, professor Fariborz Maseeh (1990) de Tecnologias Emergentes, pesquisador principal do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE), diretor do MIT.nano e autor sênior deste estudo.

Ele é acompanhado no artigo pelo autor principal Ruiqi Zhang, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação; Moungi Bawendi, professor titular da Cátedra Lester Wolfe de Química; e outros colegas do MIT e da Samsung SAIT. A pesquisa foi publicada hoje na revista Science Advances .

Este artigo se baseia no trabalho fundamental de Bawendi, que dividiu o  Prêmio Nobel de Química em 2023 pela descoberta e síntese de pontos quânticos, e no trabalho de engenharia de Bulovic, que ingressou no MIT em 2000, quando começou a colaborar com Bawendi para criar telas de LED eficientes usando pontos quânticos. 

Os displays de LED convencionais utilizam milhares de minúsculas lâmpadas que geram a luz vermelha, verde e azul necessária para criar a percepção de qualquer cor no espectro visível. As telas OLED mais avançadas, que Bulovic estava desenvolvendo durante seu trabalho de pós-graduação na Universidade de Princeton, utilizam moléculas orgânicas eletricamente excitadas e brilhantes em vez de lâmpadas.

Bulovic, Bawendi e outros no MIT buscaram substituir as moléculas orgânicas por pontos quânticos, que emitem luz vermelha, verde e azul mais pura de maneira mais eficiente em termos de energia.

“Com os pontos quânticos, a qualidade de cor da tela seria visualmente mais atraente e opticamente mais flexível. É possível misturar e combinar essas cores de pontos quânticos com mais precisão para gerar qualquer cor necessária”, afirma Bulovic.

A colaboração entre eles gerou uma série de invenções em tecnologias de LEDs de pontos quânticos, levando ao lançamento da startup  QD Vision , que comercializou com sucesso os primeiros displays contendo pontos quânticos. Em 2016, a QD Vision foi adquirida pela Samsung, que incorporou uma forma menos eficiente da tecnologia de pontos quânticos em seus displays “QLED”.

Embora sejam mais eficientes em termos energéticos, os QD-LEDs excitados eletricamente ainda não foram comercializados, principalmente porque a vida útil limitada do QD-LED azul não atende aos requisitos dos displays comerciais.

“Os LEDs de pontos quânticos azuis são de 50 a 100 vezes menos estáveis do que seus equivalentes vermelhos e verdes. Se você os usar em uma tela de LED, sua TV pode durar apenas alguns meses antes de parar de funcionar. Queríamos entender o que há de diferente nos LEDs de pontos quânticos azuis”, diz Zhang.

Ele e seus colaboradores desenvolveram uma técnica para fatiar um minúsculo QD-LED em lâminas ultrafinas, revelando a seção transversal do dispositivo. Eles examinaram essas seções transversais sob microscópios extremamente potentes no MIT.nano. Esse método preciso permitiu que eles vissem o que acontece em nanoescala com as camadas ultrafinas de materiais empilhadas dentro do QD-LED.

Eles exploraram as mudanças estruturais e químicas que ocorreram em cada camada de LEDs de pontos quânticos vermelhos e azuis, comparando seções transversais de dispositivos recém-fabricados com seções transversais de dispositivos que foram operados em sobrecarga. Os pesquisadores descobriram que, durante a operação, as três camadas funcionais principais que permitem que os LEDs de pontos quânticos azuis brilhem se degradam, apresentando morfologia modificada e espessura reduzida. 

Os pontos quânticos distintos também se fundem, perdendo sua forma. Esse afinamento e engrossamento da camada são causados, em parte, pela liberação de hidrogênio e oxigênio extras durante a operação.

Para evitar essa degradação, eles utilizaram uma técnica às vezes adotada pela indústria. Eles encapsularam os QD-LEDs com uma resina à base de acrilato.

Eles descobriram que essa técnica de encapsulamento suprime a liberação de hidrogênio e oxigênio e inibe parte da degradação que altera a morfologia das camadas do QD-LED azul. 

“Pela primeira vez, temos informações detalhadas sobre o que acontece dentro dessas estruturas de diversos materiais misturados e em camadas que formam o QD-LED. Ninguém sabia disso antes”, diz Bulovic.

Essa estratégia de encapsulamento, que é uma técnica econômica e escalável, levou a uma melhoria de oito vezes na vida útil dos LEDs de pontos quânticos vermelhos e a uma melhoria de mais de 5.000 vezes na vida útil dos LEDs de pontos quânticos azuis.

Os pesquisadores acreditam que a resina impede a formação de umidade na nuvem de gases que envolve o ponto quântico. Essa umidade provavelmente causa a degradação do QD-LED. 

No entanto, seus experimentos revelaram que o encapsulamento em resina não elimina todas as fontes de degradação. 

Os pesquisadores agora estão explorando a adição de camadas extras aos QD-LEDs, o que poderia melhorar ainda mais a eficiência e a vida útil. Eles também planejam usar as lições aprendidas neste estudo para aumentar a estabilidade dos QD-LEDs para outras aplicações. 

“Esta versão de LEDs de pontos quânticos seria melhor do que qualquer coisa que exista atualmente — mais simples de fabricar, mais eficiente e com desempenho superior. Isso poderia abrir perspectivas para muitas outras maneiras de pensar sobre essa tecnologia, não apenas para telas ou iluminação, mas também para sensores, lasers e assim por diante”, diz Bulovic.

Este trabalho foi financiado pelo Instituto Avançado de Tecnologia da Samsung. A pesquisa foi realizada, em parte, utilizando as instalações do MIT.nano.