Ein von Rutgers geleitetes Wissenschaftlerteam hat ein umweltfreundliches, sehr stabiles, ultrahelles Material entwickelt und es genutzt, um tiefblaues Licht (Emission bei ~450 nm) in einer Lichtdiode (LED) zu erzeugen, einem energieeffizienten Gerät, das im Zentrum aller großen Beleuchtungssysteme steht.

Die neuen Kupfer-Jodid-Hybrid-Emittermaterialien sollen laut den Wissenschaftlern, die die Entdeckung vorangetrieben haben, aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften zur Weiterentwicklung der blauen LED-Technologien beitragen. Der Prozess, der das Material erzeugt, wird in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Nature beschrieben.

"Tiefblaue LEDs stehen im Zentrum der heutigen energieeffizienten Beleuchtungstechnologien", sagte Jing Li, Distinguished Professor und Board of Governors Professor für Chemie und Chemische Biologie im Department of Chemistry and Chemical Biology der School of Arts and Sciences, der die Studie leitet. "Bestehende Optionen stellen jedoch oft Probleme mit Stabilität, Skalierbarkeit, Kosten, Effizienz oder Umweltbedenken aufgrund des Einsatzes giftiger Komponenten dar. Dieser neue Kupfer-Jodid-Hybrid bietet eine überzeugende Lösung und nutzt seine Nichttoxizität, Robustheit und hohe Leistung."

LEDs sind Beleuchtungsgeräte, die spezielle Materialien, sogenannte Halbleiter, verwenden, um Strom effizient und langlebig in Licht umzuwandeln. Blaue LEDs wurden Anfang der 1990er Jahre entdeckt und brachten ihren Entdeckern 2014 den Nobelpreis für Physik ein.

Blaue LEDs sind besonders wichtig, da sie zur Erzeugung von weißem Licht verwendet werden und für allgemeine Beleuchtungsanwendungen unerlässlich sind.

Li und ihre Kollegen an der Rutgers University arbeiteten mit Wissenschaftlern des Brookhaven National Laboratory und vier weiteren Forschungsteams zusammen, die nationale und internationale Institutionen repräsentierten, um an neuen Materialien zu arbeiten, die bestehende blaue LEDs verbessern sollten.

Die an der Studie beteiligten Forscher fanden einen Weg, blaue LEDs effizienter und nachhaltiger zu machen, indem sie eine neue Art von Hybridmaterial verwendeten: eine Kombination aus Kupferiodid mit organischen Molekülen.

"Wir wollten neue Materialien schaffen, die sehr helles, tiefblaues Licht erzeugen, und sie zur Herstellung von LEDs zu geringeren Kosten als aktuelle blaue LEDs nutzen", sagte Li.

Der neue hybride Kupfer-Jodid-Halbleiter bietet laut Wissenschaftlern eine Reihe von Vorteilen gegenüber einigen anderen in LEDs verwendeten Materialien. Blei-Halid-Perowskiten sind zwar kostengünstig, enthalten aber Blei, das für Menschen giftig ist, und haben aufgrund ihrer Feuchtigkeits- und Sauerstoffempfindlichkeit Probleme mit der Stabilität. Organische LEDs (OLEDs) sind flexibel und potenziell effizient, können jedoch strukturelle und spektrale Stabilität missen, was bedeutet, dass sie schnell abbauen und mit der Zeit an Farbqualität verlieren können. Kolloidale Quantenpunkte funktionieren hauptsächlich in grünen und niedrigereneren LEDs gut und sind oft auf Kadmium basierend, was Toxizitätsbedenken aufwerfen kann. Phosphoreszierende organische Emitter können kostspielig und komplex in der Synthese sein.

"Das neue Material bietet eine umweltfreundliche und stabile Alternative zu dem derzeitigen Bestehenden, löst einige dieser Probleme und könnte die LED-Technologie möglicherweise voranbringen", sagte Li.

Das hybride Kupfer-Jodid-Material besitzt günstige Eigenschaften wie eine sehr hohe Photolumineszenzquantenausbeute von etwa 99,6 %, was bedeutet, dass es nahezu die gesamte aufgenommene Photoenergie in blaues Licht umwandelt. Blaue LEDs aus diesem Material haben eine maximale externe Quanteneffizienz (das Verhältnis zwischen der Anzahl der emittierten Photonen und der Anzahl der eingespritzten Elektronen) von 12,6 % erreicht, was die bisher höchste für lösungsverarbeitete tiefblaue LEDs ist.

Diese LEDs sind nicht nur hell, sie halten auch länger als viele andere. Unter normalen Bedingungen haben sie eine betriebliche Halblebenszeit von etwa 204 Stunden, was bedeutet, dass sie noch eine ganze Weile leuchten können, bevor ihre Helligkeit nachlässt. Darüber hinaus eignet sich das Material gut in größeren Anwendungen. Die Forscher entwickelten erfolgreich ein größeres Gerät, das eine hohe Effizienz bietet, was zeigt, dass dieses Material Potenzial für reale Anwendungen hat.

Das Geheimnis der beeindruckenden Leistung des Materials liegt in einer innovativen Technik, die von den Wissenschaftlern entwickelt wurde, genannt duale interfaciale Wasserstoffbrückenpassivierung. Die Herstellungstechnik erhöht die Leistung der LEDs erheblich um das Vierfache.

"Unsere Verarbeitungsmethode minimiert Defekte, die die Bewegung elektrischer Ladungen an der Grenzfläche dieser hybriden Materialien behindern können", sagte Kun Zhu, ein ehemaliger Doktorand und Postdoktorand an der Rutgers University, der nun am Max-Planck-Institut in Deutschland tätig ist und Erstautor des Artikels ist. "Dieser Ansatz könnte eine vielseitige Strategie zur Erzeugung leistungsstarker LEDs sein."

Wenn man sich die LED als Sandwich mit verschiedenen Schichten vorstellen kann, hat jede Schicht eine bestimmte Aufgabe, wie zum Beispiel Licht auszusenden oder Elektronen und Löcher zu transportieren. Manchmal interagiert die emissive Schicht nicht perfekt mit ihren Interface-Schichten, was die Effizienz verringern oder die Lebensdauer verkürzen kann. Die Technik beseitigt solche Probleme, indem Wasserstoffbrücken zwischen den Schichten gebildet werden, um bessere Verbindungen herzustellen.

"Insgesamt ebnet dieses neue Material den Weg für bessere, hellere und langlebigere LEDs", sagte Li.

Weitere Rutgers-Wissenschaftler, die zur Studie beitrugen, waren Deirdre O'Carroll, außerordentliche Professorin, und Nasir Javed, Doktorand am Department of Chemistry and Chemical Biology sowie Department of Materials Science and Engineering; und Sylvie Rangan, Assistenzforschungsprofessorin, und Leila Kasaei, Postdoktorandin am Department of Physics and Astronomy.

Die Forschung wurde vom US-Energieministerium finanziert.

Link zufolge: https://www.ledinside.com/news/2025/7/2025_07_21_01