Sie sind zehntausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Doch für das Licht von morgen kommt Quantum Dots eine große Rolle zu.
„In der Forschung gibt es selten den einen großen Wurf“, sagt Juanita Kurtin. „Forschungsalltag heißt Ausdauer. Wir motivieren uns über viele kleine Verbesserungen.“ Jetzt haben diese allerdings zu dem erhofften qualitativen Sprung geführt: „Wir haben die erste LED mit Quantum-Dot-Technologie auf den Markt gebracht.“
Die Chefin der kleinen Dinge
Die Erforschung der kleinen Dinge war schon im Studium der physikalischen Chemie in Berkeley die Leidenschaft von Juanita Kurtin. Nach dem Studium widmete sie sich der industriellen Forschung. Sie untersuchte die Eigenschaften von Nanopartikeln für die Effizienzsteigerung von Mikroprozessoren und Solarzellen: „Materialforschung, die sich am Ende in der Optimierung von Alltagsgegenständen wiederfindet – das ist genau mein Thema.“
Die Faszination Licht kam sechs Jahre später hinzu. Kurtin gründete das Startup Pacific Light Technologies in Portland. Heute ist sie mit 20 Kolleginnen und Kollegen Teil von OSRAM. Als Direktorin für Materialforschung ist sie immer noch fasziniert von den Materialeigenschaften der Nanopartikel und der Frage: Wie lässt sich die Quantenphysik der Nano-Dimension für technische Innovationen nutzen? Konkret: Wie lässt sich mit weniger Energie mehr und intensiveres Licht aus einer LED holen?
Künstliche „Atome“
Im Elektronenrastermikroskop verfolgt Juanita dazu das Verhalten der Quantum Dots unter verschiedensten Umweltbedingungen. Die winzigen Partikel sind keine Moleküle und keine Festkörper. Sie verhalten sich wie Atome und sind doch keine. Ein ausgesprochen faszinierender Forschungsgegenstand, findet Juanita Kurtin: „Quantum Dots sind Partikel, die wir ‚tunen’ können, also ihr Verhalten oder ihre Form beeinflussen.“ So emittieren die kugeligen Gebilde, die sich aus einigen Tausend Atomen von Verbindungshalbleitern zusammensetzen, je nach Größe Licht in unterschiedlichen Wellenlängen. Größere Dots rotes, mittelgroße grünes, und kleine blaues Licht. Die Herausforderung besteht darin, Dots in durchgängig einheitlicher Größe herzustellen, um eine möglichst exakte Lichtfarbe zu garantieren.
Gut verpackt überleben
Schon seit den frühen 90er-Jahren gibt es die Idee, Quantum Dots auch in LED einzusetzen. Doch dort herrschen harte Überlebensbedingungen für die Nanopartikel – extreme Hitze und Kälte, hohe Stromdichten und Wechselwirkungen mit Umgebungsmaterialien. Jahrelange Forschungsarbeit hat es nun ermöglicht, die kleinsten Teilchen so zu „verpacken“, dass sie ihre Eigenschaften, Licht zu konvertieren und anschließend zu emittieren, auch unter den extremen Bedingungen in einer LED behalten.
Und der Aufwand lohnt sich. Die neue Technologie ist der Schlüssel zu höherer Energieeffizienz und exzellenter Farbwiedergabe von LED. Denn Licht, welches durch einen Quantum Dot konvertiert wird, verändert nicht nur seine Farbe, es wird auch brillanter.
Nur winzig ist klein genug
Bereits heute sind Quantum Dots in verschiedensten Anwendungen im Einsatz, etwa als Leuchtstoffe, in Displays oder als Sicherheitsmerkmal auf Banknoten. „Als erstes und bisher einziges Unternehmen haben wir es jetzt geschafft, diese Technologie marktfähig auch für LED einzusetzen“, erzählt Juanita Kurtin stolz. „Aktuell für den Einsatz in der Allgemeinbeleuchtung, wo es bei schmalen roten Emittern den größten Bedarf gab. Wir stehen aber erst am Anfang. Denn Quantum Dots sind grundsätzlich für alle Photonik-Anwendungen interessant, bei denen Licht mit einem schmalen Wellenlängenbereich gebraucht wird.“ Besonders spannend wird es bei μLED, mikroskopisch kleinen LED. Hier kommen die Vorteile der Quantum Dots voll zum Tragen. Denn nur sie sind klein genug, um auch auf μLED brillante Farben zu erzeugen. Schon allein daher ist sich Juanita Kurtin sicher: In Zukunft kommen die kleinen Partikel noch ganz groß raus.
