Neuigkeiten zu Optik und Photonik

Jul 24, 2023

Patricia Daukantas

Junyi Zhao von der Washington University in St. Louis, USA, demonstriert die Verwendung eines einfachen Kugelschreibers, um benutzerdefinierte LEDs auf Papier zu schreiben. [Bild: Wang Lab, Washington University in St. Louis]

Viele Menschen notieren ihre frischen Ideen gerne mit Stift und Papier. In Zukunft könnten sie diese Ideen in Form von maßgeschneiderten LEDs auf Partyballons, Kleidung oder sogar personalisierten medizinischen Sensoren umsetzen.

Forscher in den Vereinigten Staaten haben ein System zum handschriftlichen Schreiben von LEDs und Fotodetektoren auf viele gewöhnliche Substrate entwickelt, von Papier über Gummi bis hin zu Stoff (Nat. Photon., doi: 10.1038/s41566-023-01266-1). Das Team füllte normale Kugelschreiber mit einer speziellen „Tinte“, die winzige Metalldrähte und Nanokristalle aus Perowskiten enthielt – den vielseitigen Halbleitern, die bei richtiger Stimulation hell aufleuchten. Mögliche Anwendungen reichen von flexiblen, tragbaren Einwegsensoren bis hin zu anpassbaren Textilien und intelligenten Verpackungen, so die Forscher.

„Das Schreiberlebnis spiegelt den natürlichen Fluss des alltäglichen Schreibens wider“, sagt Hauptautor Junyi Zhao, Doktorand im Labor von Chuan Wang, einem Ingenieurprofessor an der Washington University in St. Louis, USA.

Zu den bewährten Techniken zur Herstellung optoelektronischer Geräte gehören Schleuderbeschichtung, Verdampfung und Ätzen, meist unter Einsatz von Vakuumkammern oder anderen Spezialgeräten. Obwohl einige Wissenschaftler – darunter Wang und seine Kollegen – den Tintenstrahldruck und andere einfachere Abscheidungssysteme als Ersatz ausprobiert haben, kann das Reinigen und Ausrichten der Tintenstrahldruckköpfe mühsam sein.

Vor zwei Jahren stellten Zhao und Wang erstmals eine optoelektronische Tinte aus einer organisch-anorganischen Verbindung vor, die aus Perowskitkristallen besteht, die in eine flexible Polymermatrix eingebettet sind, und druckten Schaltkreise, indem sie die Verbindung einem Tintenstrahldrucker zuführten. Ein einfacher Kugelschreiber, der mit flüssigen LEDs anstelle der Originaltinte gefüllt war, erwies sich als noch einfacherer Abgabemechanismus, aber die Perowskit-Tintenformel musste zunächst optimiert werden.

Das Logo der Washington University in St. Louis, gezeichnet mit mehrfarbigen LED-„Tinten“ auf Aluminiumfolie. [Bild: Wang Lab, Washington University in St. Louis]

Zhao sagt, er und seine Kollegen hätten die Rheologie bzw. Fließfähigkeit der Tinte und ihre Benetzungsfähigkeit sorgfältig abgestimmt, um gleichmäßige Linien auf vielen verschiedenen Oberflächen zu erzeugen. Das Team musste auch die Lösungsmittel so anpassen, dass das Auftragen mehrerer Schichten der optoelektronischen Tinte auf dieselbe Stelle nicht dazu führte, dass sich die oberen Schichten auflösten oder die darunter liegenden Schichten beeinträchtigten.

„Im Hinblick auf das Schreiberlebnis haben wir die Auswirkungen der auf den Stift während des Schreibvorgangs ausgeübten Kraft eingehend untersucht, die als ‚weiches Schreiben‘ und ‚hartes Schreiben‘ definiert sind“, sagt Zhao. „Bemerkenswert ist, dass die auf den Stift ausgeübte Kraft die Funktionalität unserer optoelektronischen Geräte nicht beeinträchtigt. Interessanterweise beeinflussen sowohl weiche als auch harte Schreibtechniken effektiv die Breite des Schreibpfads. Sanftes Schreiben führt zu einem schmaleren Pfad, während hartes Schreiben zu einem breiteren Pfad führt. Diese Vielseitigkeit beim Schreibdruck trägt zu anpassbaren Musterauflösungen im endgültigen Gerät bei.“

Da die handgezeichneten LEDs eine vertikale Sandwichstruktur haben, haben die Forscher hart daran gearbeitet, die Schichten ausreichend voneinander getrennt und gleichmäßig dick zu halten, um einen Stromverlust zwischen der oberen und unteren Elektrode zu verhindern, sagt Wang. „Auf ebenen und nicht absorbierenden Oberflächen wie Glas oder Kunststofffolien ist dies einfacher, auf faserigen und porösen Substraten wie Papier und Textilien wird dies jedoch besonders schwierig“, fügt er hinzu.

Laut Zhao mussten die Forscher die Trocknungszeit ihrer LED-Tinten berücksichtigen, da jeglicher Designwert der gezeichneten Bilder verloren gehen würde, wenn die Tinte verschmiert würde. Um das Trocknen zu beschleunigen, fügte das Team verschiedene Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt als Additive hinzu, darunter Isopropanol und Toluol. „Diese Lösungsmittel senkten effektiv den Siedepunkt unserer funktionellen Tinten“, sagt Zhao. „Infolgedessen wurde die Trocknungsgeschwindigkeit bestimmter Schichten, wie der lichtemittierenden Perowskit-Schicht, der Polyethylenimin-Pufferschicht und der oberen Silber-Nanodraht-Elektrode, deutlich beschleunigt. In einigen Fällen erfolgte die Trocknung tatsächlich schnell oder sofort, sodass keine Wartezeit erforderlich war.“

Forscher könnten den Stift mit flüssigen LEDs verwenden, um leuchtende Skizzen zu erstellen. [Bild: Wang Lab, Washington University in St. Louis]

Um die Stärke und Vielseitigkeit der handgeschriebenen LEDs zu demonstrieren, zeichneten die Forscher Muster auf die Innenfläche eines Glasfläschchens und auf beide Seiten eines Blattes Papier. Für Letzteres befestigte das Team eine Münzbatterie und demonstrierte die Ein-/Aus-Funktion einer Zeichnung einer Ampel. Gruppenmitglieder zeichneten ein Muster auf die Oberfläche eines Gummiballons und unterwarfen ihn mehreren Dutzend Inflations- und Deflationszyklen mit einer biaxialen Dehnung von mehr als 40 %. Sie berichteten, dass die Leistung nicht merklich nachließ.

Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die Helligkeit der handgeschriebenen Perowskit-LEDs bis zu 15.225 cd/m2 betragen konnte, während die maximale Empfindlichkeit der handgeschriebenen Perowskit-Fotodetektoren 132 mA/W betrug.

Als nächstes planen Wang und Kollegen, die beschreibbare Tinte in Einwegelektronik für potenzielle biomedizinische Anwendungen zu integrieren. Laut Wang werden die Forscher auch die Tintenformeln verfeinern, um bleifreie Perowskite zu ersetzen und so die Toxizität der Tinte zu reduzieren oder zu beseitigen.

Veröffentlichungsdatum: 16. August 2023