Wenn wir mit der Lupe auf ein Display schauen, dann können wir die einzelnen Pixel erkennen, aus denen sich das Bild zusammensetzt. Dabei sind die Pixel indes nicht die kleinsten Einheiten.

Um die einzelnen Pixel in einer fast beliebigen Zahl Farben erstrahlen zu lassen, bedarf es dreier Subpixel in den RGB-Farben – also rot, grün und blau. Je nach Strahlungsintensität des einzelnen Subpixels mischt sich die gewünschte Farbe.

Unter den verschiedenen technischen Methoden, die Bilddarstellung weiter zu verbessern, rechnen Forschende den sogenannten Quantenpunkt-Leuchtdioden (QD-LEDs) die größten Chancen zu. Auch die müssen in der Lage sein, die Grundfarben zu repräsentieren. Dabei gilt die Herstellung blauer Quantenpunkte als besonders schwierig.

Das liegt daran, dass die blauen Subpixel die wichtigsten sind. Sie können durch einen Prozess, der als Abwärtskonvertierung bezeichnet wird, ihre blaue Strahlung zur Erzeugung von grünem und rotem Licht verwenden. Das erfordert indes eine genaue Steuerung der physikalischen Parameter.

Einem Forschendenteam der japanischen Universität Tokio ist es nun unter der Leitung des Chemie-Professors Eiichi Nakamura gelungen, eine Lösung für die Herstellung hochwertiger blauer Quantenpunkte zu finden. Dazu setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine neue Methode ein, die auf selbstorganisierenden chemischen Strukturen basiert, und ergänzen sie um eine hochmoderne Bildgebungstechnik zur Visualisierung der neuartigen blauen Quantenpunkte.

Nakamura zufolge hat sich sein Team vom bisherigen Ansatz, Substanzen so zu verkleinern, dass sie für den Zweck nutzbar werden, verabschiedet. Stattdessen sei auf molekularer Ebene gearbeitet worden, um vom Kleinsten zum Quantenpunkt zu gelangen. Nakamura erklärt das so:

„Stellen Sie sich das so vor, als würden Sie ein Haus aus Ziegeln bauen, anstatt es aus Stein zu meißeln. Es ist viel einfacher, präzise zu sein, so zu gestalten, wie man es will, und es ist auch effizienter und kostengünstiger.”

Seinem Team sei es gelungen, Moleküle so präzise zu steuern, dass sie von selbst die gewünschten Strukturen bildeten, so der Professor. Das war allerdings erst der zweite Schritt, der den Erfolg sichern konnte.

Zunächst galt es, die richtige chemische Zusammensetzung des einzelnen Punktes zu finden. Die fanden sie in einer hybriden Mischung aus organischen und anorganischen Verbindungen wie Bleiperowskit, Apfelsäure und Oleylamin. Über ein Jahr hat das Team methodisch verschiedene Zusammensetzungen untersucht.

„Überraschenderweise bestand eine unserer größten Herausforderungen darin, herauszufinden, dass Apfelsäure ein Schlüsselstück in unserem chemischen Puzzle ist,” erläutert Professor Nakamura.

Um letztlich die optimale Struktur des Quantenpunkts zu bestimmen, setzten die Forschenden eine Weiterentwicklung der elektronenmikroskopischen Bildgebung, das sogenannte Smart-EM, auch Cinematic Chemistry genannt, ein. Damit lassen sich auch dynamische Zustände exakt abbilden.

Schlussendlich gelang es Nakamuras Team einen blauen Quantenpunkt herzustellen, der bei der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht ein nahezu perfektes blaues Licht erzeugt, wie es der internationale Standard für die Messung der Farbgenauigkeit vorsieht.

Leider erweist sich der perfekte Quantenpunkt noch als extrem kurzlebig. Daran will das Team nun arbeiten und auch Kooperationen mit der Industrie eingehen, um zu einem fertigungsreifen Produkt zu gelangen. Ihre bisherigen Ergebnisse haben die Forschenden im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.