Skurrile Erfindung: Leuchtdioden könnten künftig einfach per Kugelschreiber in beliebiger Form aufs Papier, auf eine Plastikfolie oder andere Unterlage geschrieben werden. Möglich wird dies dank einer Kombination von Spezialtinten, mit denen die für LEDs nötigen Schichten nacheinander auf die Unterlage gemalt werden. Aus vier solcher Übermalungen entsteht dann eine Perowskit-Leuchtdiode, die je nach Tinte in verschiedenen Farben erstrahlt.
LEDs sind aus unserem Alltag kaum mehr wegzudenken. Die Leuchtdioden stecken in Fernsehern, Lampen, Displays und vielen anderen elektrischen Geräten. Ihr Licht entsteht, wenn ein elektrisches Feld ein kristallines oder organisches Halbleitermaterial anregt und zu einer Rekombination von Ladungen führt. Dabei werden Photonen frei – die LED leuchtet. Bei organischen LEDs und den besonders leuchtstarken LEDs aus Perowskit-Materialien ist sogar schon eine Herstellung per Drucker möglich.
Funktionale Tinten und vier Kugelschreiber
Noch einen Schritt weiter gehen jetzt Junyi Zhao von der Washington University in St. Louis und ihre Kollegen: Sie haben eine Methode entwickelt, mit der Perowskit-LEDs einfach per Kugelschreiber auf nahezu beliebige Unterlagen geschrieben werden können. Möglich wird dies, weil sie die einzelnen Komponenten der LEDs – ein leitfähiges Polymer, verschiedene Perowskite und metallische Nanoleiter – in flüssige Tinten umgewandelt haben.
Als Applikator dienen vier ganz normale Kugelschreiber, die entleert, gereinigt und dann mit jeweils einer dieser Spezialtinten gefüllt werden. „Wie beim Schreiben mit mehrfarbigen Stiften ermöglicht das Schreiben mit diesen funktionalen Tinten die Erschaffung von Perowskit-basierten optoelektronischen Geräten innerhalb von nur Minuten“, erklären die Forschenden. Auf diese Weise können selbst Laien ohne große Schulung oder Vorerfahrung Leuchtdioden in beliebiger Form auf Papier, Kunststoff oder Glas auftragen.
Übermalen in vier Schichten
Konkret funktioniert das „Schreiben“ einer LED so: Die erste Tinte enthält ein gelöstes leitfähiges Polymer (PEDOT:PSS/PEO), das Papier und andere raue Oberflächen glätten, die Poren verschließen und die Unterlage zu einem geeigneten Substrat machen soll. Dann wird das Ganze kurz auf einer heißen Platte oder in einem Ofen getrocknet. Anschließend trägt man durch Übermalen der ersten Schicht die zweite Tinte auf, die je nach gewünschter LED-Farbe unterschiedliche Perowskit-Verbindungen enthält.
Im dritten Kugelschreiber ist wieder ein Polymer (PEI), dessen leicht flüchtiges Lösungsmittel sogar ohne Erhitzen verdampft. Die vierte und letzte Tinte enthält eine Emulsion aus Silber-Nanodrähten, die als Elektroden dienen. „Diese Tinte hinterlässt ein Netzwerk von Nanodrähten, das die aktive Region der LED überzieht“, erklären Zhao und ihre Kollegen. Insgesamt dauert der Prozess inklusive viermaligem Übermalen und Trockenzeiten nur rund zehn Minuten.
Farbige LEDs auf Papier, Plastik und Glas
Das Ergebnis ist eine LED, die in fast jede beliebige Form gebracht werden kann – und die sich auf den meisten Alltagsmaterialien aufbringen lässt. Um sie zum Leuchten zu bringen, müssen ihre Ränder nur mit einer Batterie verbunden werden. In ersten Tests schrieben die Forschenden ihre roten, grünen und gelben LEDs auf Papier, auf dünne Plastikfolien, auf eine Glasoberfläche und sogar auf die Hülle eines Luftballons. Die darauf aufgetragene LED blieb dabei trotz mehrfachem Entlüften und wieder Aufblasens funktionsfähig, wie das Team berichtet.
Auch die Leuchtkraft der handgeschriebene LEDs kann sich sehen lassen: „Die Perowskit-Leuchtdioden können eine Helligkeit von bis zu 15.225 Candela pro Quadratmeter erreichen“, berichten Zhao und ihre Kollegen. Dies ist sogar um ein Mehrfaches heller als ein gängiges Handy-Display. Zum Anschalten werden 2,4 Volt benötigt und die Effizienz liegt bei 6,65 Candela pro Ampere.
Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten
Nach Ansicht der Forschenden eröffnet diese Methode eine Alternative zur bisher gängigen Mikrofabrikation der LEDs und erweitert das Feld der Anwendungen. „Unser Prozess beseitigt die Begrenzungen der konventionellen Verfahren auf bestimmte Substrate und erlaubt es, LED-Applikationen direkt auf allgegenwärtige Alltagsobjekte zu schreiben, wie Papier, Stoff, Handschuhen, Luftballons, Plastikfolien und sogar dreidimensionalen Formen“, so Zhao und ihr Team.
Eingesetzt werden könnten diese LEDs beispielsweise beim Design von leuchtenden Kleidungsstücken und anderer tragbarer Elektronik, aber auch für Verpackungen oder als lehrreiches Experiment im Schulunterricht. (Nature Photonics, 2023; doi: 10.1038/s41566-023-01266-1)
Quelle: Nature Photonics
