لقد طور العلماء مصدراً للضوء يضاهي ضوء الشمس.

مسارات التحسين الرئيسية والتفاصيل التقنية لمصابيح QLED فائقة الرقة

حققت تقنية QLED هذه، المنشورة في مجلة *ACS Applied Materials & Interfaces*، إنجازًا جوهريًا في تصميمها فائق الرقة الذي يُطابق بدقة الطيف الشمسي، مما يُتيح سطوعًا عاليًا بجهد منخفض. تتمحور عملية التحسين حول أربعة جوانب أساسية: تركيب النقاط الكمومية، والمطابقة الطيفية، وبنية الجهاز، وعملية التصنيع. ومن خلال 26 عملية تطوير للجهاز، تم حل المشكلات الرئيسية تدريجيًا، مثل المطابقة الطيفية، والتحكم في استهلاك الطاقة، واستقرار السطوع. وفيما يلي مسار التحسين بالتفصيل:

أولاً: التركيب الدقيق وتعديل أنظمة مواد النقاط الكمومية

باعتبارها الوحدة الأساسية لإصدار الضوء في مصابيح QLED، فإن حجم وتكوين وتعديل سطح النقاط الكمومية يحدد بشكل مباشر كفاءة الإضاءة والنقاء الطيفي ونقاء اللون، مما يجعلها خطوة التحسين الأساسية.

التخليق الموجه للنقاط الكمومية متعددة الألوان

قام فريق البحث بوضع عمليات تركيب موجهة لأربعة أنواع أساسية من النقاط الكمومية الملونة: الأحمر والأزرق والأخضر والأصفر.

النقاط الكمومية الحمراء: من خلال التحكم في حجم النواة لهيكل سيلينيد الكادميوم / كبريتيد الزنك (CdSe / ZnS) إلى 6-8 نانومتر وتحسين سمك الغلاف إلى 1-2 طبقة ذرة واحدة، تم تحقيق انبعاث نطاق ضيق من 620-650 نانومتر (FWHM < 25 نانومتر)، مما أدى إلى تحسين نقاء الضوء الأحمر وعائد الكم للانبعاث (بهدف أكثر من 95٪).

النقاط الكمومية الزرقاء: باستخدام نظام نتريد الغاليوم الإنديوم / كبريتيد الزنك (InGaN / ZnS)، تم حل مشكلة إخماد التألق للنقاط الكمومية الزرقاء التقليدية عن طريق التحكم في نسبة مكون الإنديوم (15٪ - 20٪)، وتثبيت طول موجة الانبعاث عند 450-470 نانومتر، مع تقليل عرض نصف الارتفاع الأقصى لانبعاث الضوء الأزرق وتقليل تهيج العين.

النقاط الكمومية الخضراء: باستخدام كبريتيد الكادميوم والزنك/كبريتيد الزنك/... يتميز كبريتيد الزنك (ZnCdSe/ZnS) ببنية ذات غلاف ونواة. تعمل النسبة المثلى للزنك إلى الكادميوم (Zn:Cd=7:3) على تثبيت طول موجة الانبعاث ضمن نطاق 520-540 نانومتر، مما يعزز تشبع اللون الأخضر. النقاط الكمومية الصفراء: يتم استخدام بنية مركبة مبتكرة تمزج بين النقاط الكمومية الحمراء والخضراء. من خلال ضبط النسبة المولية للنقاط الكمومية الحمراء والخضراء (من 1:3 إلى 1:5)، يتم الحصول على انبعاث أصفر دقيق ضمن نطاق 580-600 نانومتر، مما يتجنب انخفاض كفاءة الإضاءة للنقاط الكمومية الصفراء المفردة.

تحسين تعديل طلاءات كبريتيد الزنك

لمعالجة فقدان الطاقة الناتج عن عيوب السطح في النقاط الكمومية، قام الفريق بتغطية جميع أنواع أسطح النقاط الكمومية الأربعة بطبقات رقيقة للغاية من كبريتيد الزنك (ZnS):

قاموا بتحسين درجة حرارة الترسيب (180-220 درجة مئوية) ومعدل سقوط المادة الأولية (0.5-1 مل/ساعة) لتشكيل طبقة أحادية موحدة من كبريتيد الزنك (بسمك 0.5 نانومتر تقريبًا)، تغطي تمامًا عيوب سطح النقاط الكمومية؛

من خلال مقارنة أداء سماكات الطلاء المختلفة، توصلوا في النهاية إلى مخطط تعديل للطلاء الرقيق + التبلور العالي، والذي يقلل من تأثير إخماد الطلاء على تألق النقاط الكمومية مع تحسين الاستقرار الكيميائي وكفاءة نقل الإلكترون للنقاط الكمومية.

ثانياً: التحكم الدقيق في نسب الطيف الشمسي

الهدف الأساسي لمصابيح QLED هو محاكاة الطيف الشمسي، ويكمن المفتاح في تحسين النسبة المولية للنقاط الكمومية ذات الألوان الأربعة، وهو المحدد الأساسي للمطابقة الطيفية.

إنشاء نموذج المطابقة الطيفية: استنادًا إلى بيانات الطيف الشمسي القياسية AM1.5G، أنشأ الفريق نموذج مطابقة طيفية، باستخدام التشابه الطيفي " (درجة حرارة اللون المترابطة CCT≈5500K، مؤشر تجسيد اللون CRI≥98)" كمؤشر تحسين أساسي، وقام بإنشاء وظائف مطابقة بين شدة الإضاءة لأربع نقاط كمومية والنطاقات المقابلة للطيف الشمسي.

الإصدار السادس والعشرون من نسبة ألوان الجهاز:

باستخدام النسبة المولية "red:blue:green:yellow" كمتغير للتحسين، تم إجراء اختبار تكراري قائم على التدرج. كل تكرار حسّن النسبة بنسبة 5% إلى 10%، مقترباً تدريجياً من الطيف الشمسي المثالي.

النسخة الأولية: باستخدام نسبة أجهزة العرض التقليدية (أحمر:أزرق:أخضر:أصفر = 2:3:3:2)، كان التشابه الطيفي 82% فقط، مع نسبة عالية للغاية من الضوء الأزرق (تجاوزت شدة الإضاءة لنطاق الضوء الأزرق الطيف الشمسي بنسبة 15%)؛

التكرار في منتصف المدى: تقليل نسبة النقاط الكمومية الزرقاء تدريجياً وزيادة نسبة النقاط الكمومية الحمراء، وعندما تم تعديل النسبة إلى أحمر:أزرق:أخضر:أصفر = 4:1:2:3، تحسن التشابه الطيفي إلى 92%، لكن لون الضوء الأحمر كان داكنًا جدًا؛

النسخة النهائية المُحسّنة: من خلال ضبط نسب كل لون بدقة (أحمر:أزرق:أخضر:أصفر = 4.2:0.8:2.1:2.9)، تم تحقيق تشابه طيفي بنسبة 96%، مع هيمنة اللون الأحمر (حيث يُمثل الضوء الأحمر حوالي 45%)، وانخفاض نسبة الضوء الأزرق إلى جزء ضئيل من الطيف الشمسي. وبنسبة لا تتجاوز 5%، تتجنب هذه النسخة تمامًا عيب الضوء الأزرق الزائد في مصابيح LED التقليدية، مع تحقيق درجة حرارة لونية قريبة من ضوء الشمس الطبيعي (CCT=5400±100K)، ومؤشر تجسيد لوني يتجاوز 98، متفوقًا بذلك بشكل كبير على أجهزة الإضاءة التقليدية (يتراوح مؤشر تجسيد اللون لمصابيح LED التقليدية غالبًا بين 80 و90).

ثالثًا: تصميم هيكل جهاز فائق الرقة وعالي الكفاءة

لا تُعدّ خاصية الرقة الفائقة لمصابيح QLED مجرد إنجازٍ في الشكل فحسب، بل هي أيضاً مفتاحٌ لتحسين كفاءة الطاقة وخفض جهد التشغيل. وقد حقق الفريق تحسيناً مزدوجاً للأداء والشكل من خلال الترسيب المُحسّن ودمج الهياكل متعددة الطبقات.

تحسين اختيار الركيزة والطبقة الوظيفية

الركيزة: تُستخدم ركيزة زجاجية من أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO). يتم تحسين تركيز حاملات الشحنة (5×10²⁰ سم⁻³) ومقاومة الطبقة (15 أوم/مربع) لطبقة ITO باستخدام تقنية الترسيب بالرش المغناطيسي، مما يحسن موصلية الركيزة ونفاذيتها (نفاذية ≥95%)، مع تقليل مقاومة التلامس بين الركيزة والطبقة الوظيفية في الوقت نفسه.

طبقة نقل الإلكترونات: بدلاً من الأكاسيد غير العضوية التقليدية (مثل ثاني أكسيد التيتانيوم)، يتم اختيار أكسيد معدني ذي قدرة عالية على نقل الشحنات (مثل أكسيد الزنك المطعّم بالألومنيوم، أو أكسيد الزنك والألومنيوم). يتم تحضير طبقة رقيقة للغاية بسمك 5-10 نانومتر باستخدام تقنية الترسيب الطبقي الذري لتحسين كفاءة نقل الإلكترونات وتقليل تراكم الشحنات على السطح البيني.

طبقة نقل الثقوب: يُستخدم نظام مركب من بوليمر موصل (مثل PEDOT:PSS/بولي تريفينيل أمين، PTPA). تم تحسين تركيز تطعيم البوليمر (5%-8%)، مما زاد من حركة الثقوب إلى أكثر من 10⁻³ سم²/(فولت·ثانية)، مع تقليل سمك طبقة نقل الثقوب في الوقت نفسه إلى 8-12 نانومتر، مما يقلل من فقدان امتصاص الضوء.

تحسين عملية الترسيب للهياكل متعددة الطبقات فائقة الرقة

حقق الفريق ترسيبًا دقيقًا على مستوى النانومتر لطبقات النقاط الكمومية وطبقات النقل باستخدام عملية مشتركة من "spin-coating-annealing-sputtering":

طبقة باعثة للنقاط الكمومية: باستخدام الطلاء الدوراني بسرعة دوران مضبوطة من 3000-4000 دورة في الدقيقة ووقت طلاء دوراني من 30-60 ثانية، بالإضافة إلى التلدين بدرجة حرارة منخفضة (120-150 درجة مئوية، 10-15 دقيقة)، تم تشكيل طبقة رقيقة موحدة وكثيفة من طبقة النقاط الكمومية، بسمك نهائي مضبوط عند 20-30 نانومتر، مما وضع الأساس لشكل "ultra-thin" لـ QLED؛

تحسين البنية العامة: بمقارنة أداء هياكل النقاط الكمومية أحادية الطبقة ومتعددة الطبقات، تم تحديد بنية مكدسة من طبقة نقاط كمومية حمراء/خضراء/صفراء + طبقة نقاط كمومية زرقاء. من خلال عزل الطبقة الفاصلة (بسماكة أقل من 5 نانومتر)، يتم تجنب التداخل الطاقي بين النقاط الكمومية ذات الألوان المختلفة، مع التحكم في السماكة الإجمالية للجهاز لتكون في حدود عشرات النانومترات (سماكة البنية الأساسية ≤ 50 نانومتر)، وهي أقل بكثير من سماكة مصابيح LED التقليدية (في حدود الميكرومتر).

رابعًا: تحسين أداء التشغيل وكفاءة الطاقة. يُعدّ انخفاض الجهد، والسطوع العالي، وانخفاض استهلاك الطاقة من المؤشرات الأساسية لتطبيقات مصابيح QLED. وقد أجرى الفريق تحسينات مُوجّهة تركز على جهد التشغيل، والسطوع، وكفاءة الطاقة.

التحكم الدقيق في جهد التشغيل

تحسين مطابقة مستوى طاقة الواجهة لكل طبقة وظيفية: من خلال التحكم في دالة العمل لطبقة نقل الإلكترون (4.0-4.2 إلكترون فولت) ومستوى طاقة نطاق التوصيل للنقطة الكمومية (3.8-4.0 إلكترون فولت)، ومستوى طاقة نطاق التكافؤ لطبقة نقل الثقوب (5.0-5.2 إلكترون فولت) ومستوى طاقة نطاق التكافؤ للنقطة الكمومية (5.3-5.5 إلكترون فولت)، يتم تحقيق حقن وإعادة تركيب حاملات الشحنة بكفاءة، مما يقلل من حاجز حقن حاملات الشحنة.

مقارنة اختبار الأداء مع تدرجات جهد مختلفة: بدءًا من 5 فولت، تم رفع الجهد تدريجيًا، وسُجلت تغيرات السطوع. وُجد أنه عند وصول الجهد إلى 11.5 فولت، وصل سطوع الجهاز إلى التشبع (ذروة السطوع ≥ 100,000 شمعة/م²، متجاوزًا بكثير 10,000-50,000 شمعة/م² لمصابيح LED التقليدية)، ولم تكن هناك ظاهرة إخماد ضوئي واضحة. لذلك، تم تحديد 11.5 فولت في النهاية كجهد مثالي. تحقيق طفرة في السطوع العالي مع جهد منخفض من خلال تحسين جهد التشغيل.

الموازنة المثلى بين كفاءة الطاقة والاستقرار

تحسين كفاءة الطاقة: باستخدام كفاءة الطاقة (لومن/واط) كمؤشر، تم تحسين كفاءة الطاقة لمصابيح QLED لتتجاوز 150 لومن/واط من خلال تحسين مردود الكم الضوئي (الهدف ≥90%) وكفاءة حقن حاملات الشحنة (الهدف ≥95%) في النقاط الكمومية. يُمثل هذا تحسنًا ملحوظًا في كفاءة الطاقة مقارنةً بالمصابيح المتوهجة التقليدية (15 لومن/واط) ومصابيح LED التقليدية (100 لومن/واط).

تحسين الاستقرار: لمعالجة مشكلتي الأكسدة السريعة والتآكل الناتج عن الماء/الأكسجين في النقاط الكمومية، تم تغليف سطح الجهاز بغشاء واقٍ رقيق للغاية من البوليميد (PI). في الوقت نفسه، تم تحسين عملية تغليف الجهاز (التغليف الفراغي، نفاذية الماء/الأكسجين <10⁻³ جم/(م²·يوم))، مما زاد من عمر الجهاز T95 (الوقت اللازم لخفض السطوع إلى 95% من قيمته الأولية) إلى أكثر من 5000 ساعة، وهو ما يلبي متطلبات التطبيقات العملية لأجهزة الإضاءة.

تحسين تكراري متعدد الإصدارات: بالنسبة لأجهزة الإصدار 26، تم اختبار معدل انخفاض السطوع للأجهزة ذات النسب والهياكل المختلفة بعد 1000 ساعة من التشغيل المتواصل. من بين 10% من الإصدارات، تم اختيار الحل الأمثل الذي يتميز بسطوع عالٍ واستهلاك منخفض للطاقة وعمر افتراضي طويل.

نتائج التحسين وآفاق التطبيق

من خلال التحسين متعدد الأبعاد ومتعدد الجولات المذكور أعلاه، حقق مصباح QLED فائق الرقة بتقنية LED ثلاثة اختراقات أساسية:

مؤشرات الأداء: أقصى سطوع (≥100000cd/m²) عند جهد منخفض يبلغ 11.5 فولت، تشابه طيفي بنسبة 96%، مؤشر تجسيد اللون (CRI) ≥98، محتوى منخفض للغاية من الضوء الأزرق، كفاءة الطاقة ≥150 لومن/واط، وسمك إجمالي يبلغ عشرات النانومترات فقط؛

سيناريوهات التطبيق: لا يمكنها فقط استبدال أجهزة الإضاءة التقليدية لتحقيق إضاءة طبيعية تحمي العين، ولكن يمكن أيضًا توسيع نطاقها ليشمل الشاشات المرنة (المتوافقة مع الركائز المرنة)، وإضاءة البستنة (التحكم بدقة في الطيف لتعزيز عملية التمثيل الضوئي للنباتات)، والإضاءة الصحية والطبية (تعديل الطيف وفقًا لاحتياجات الإنسان)؛

إمكانات التصنيع: إن عمليات تصنيع النقاط الكمومية وترسيب الطبقات الرقيقة للغاية المستخدمة هي امتدادات لعمليات أشباه الموصلات الحالية، ولا تتطلب معدات إنتاج باهظة الثمن، وهي قابلة للتطبيق على نطاق واسع للإنتاج الضخم، والذي من المتوقع أن يدفع صناعة الإضاءة والعرض نحو ترقيات أكثر طبيعية، وأكثر حماية للعين، وأكثر مرونة.

تتمثل الفكرة الأساسية لهذا التحسين في جعل مطابقة الطيف الشمسي هدفًا رئيسيًا، وربط أربعة عناصر أساسية: مواد النقاط الكمومية، والنسبة الطيفية، وبنية الجهاز، وأداء التشغيل. ومن خلال التجربة والخطأ المتكررين بالإضافة إلى التحكم الدقيق في المعلمات، يتم حل المشكلات التي تعاني منها مصابيح LED التقليدية، مثل الطيف غير الطبيعي، والضوء الأزرق الزائد، وجهد التشغيل العالي، مما يوفر مسارًا تقنيًا قابلًا للتكرار لتحقيق طفرة ثورية في مجال مصابيح LED فائقة الرقة.