Создание самых маленьких в мире LED: нано-LED прорыв ETH Zurich

Electronics & Sensors INSIDER

Массив пикселей органических нано-светодиодов отображает логотип ETH с разрешением 50 000 пикселей на дюйм. (Изображение: Jiwoo Oh / ETH Zurich; Nature Photonics)

Миниатюризация является движущей силой полупроводниковой промышленности. Огромные приросты производительности компьютеров с 1950-х годов во многом связаны с тем, что на кремниевых чипах можно производить всё более мелкие структуры. Химические инженеры ETH Zurich теперь добились уменьшения размера органических светодиодов (OLED) — которые сейчас в основном используются в премиальных мобильных телефонах и ТВ-экранах — на несколько порядков величины. Их исследование недавно опубликовано в журнале Nature Photonics.

«Диаметр самых крошечных OLED-пикселей, которые мы разработали к сегодняшнему дню, находится в диапазоне 100 нанометров, что означает, что они примерно в 50 раз меньше текущего состояния искусства», — сказал Дживу О, докторант, активный в исследовательской группе наноматериальной инженерии под руководством профессора ETH Чих-Джена Ши.

О разработал процесс производства новых нано-OLED вместе с Томмазо Маркато. «За всего один шаг максимальная плотность пикселей теперь примерно в 2500 раз больше, чем раньше», — сказал Маркато, который работает постдоком в группе Ши.

Для сравнения: до 2000-х годов темп миниатюризации компьютерных процессоров следовал закону Мура, согласно которому плотность электронных элементов удваивалась каждые два года.

Пиксели размером от 100 до 200 нанометров формируют основу ультра-высокоразрешающих экранов, которые могут отображать бриллиантово-чёткие изображения в очках, носимых близко к глазу. Для иллюстрации команда Ши отобразила логотип ETH Zurich. Логотип состоит из 2800 нано-OLED, по размеру похожих на человеческую клетку, каждый пиксель измеряет около 200 нанометров. Наименьшие пиксели, разработанные исследователями ETH Zurich, достигают диапазона 100 нанометров.

Кроме того, эти крошечные источники света могут также помочь фокусироваться на субмикрометровом диапазоне через высокоразрешающие микроскопы. «Массив нано-пикселей как источник света может освещать самые малые области образца. Индивидуальные изображения могут затем быть собраны на компьютере для доставки экстремально детализированного изображения», — сказал профессор Ши. Он также воспринимает нано-пиксели как потенциальные крошечные сенсоры, которые могут обнаруживать сигналы от отдельных нервных клеток.

Эти минусцульные размеры также открывают возможности для исследований и технологий, которые ранее были полностью вне досягаемости. Согласно Маркто: «Когда две световые волны одного цвета сходятся ближе, чем половина их длины волны — так называемый дифракционный предел — они больше не осциллируют независимо друг от друга, а начинают взаимодействовать друг с другом». В случае видимого света этот предел находится между примерно 200 и 400 нанометрами, в зависимости от цвета — нано-OLED, разработанные исследователями ETH, могут быть позиционированы так близко.

Проводя начальные эксперименты, команда Ши смогла использовать такие взаимодействия для манипуляции направлением излучаемого света целенаправленно. Вместо излучения света во все направления над чипом, OLED затем излучают свет только под очень специфическими углами. «В будущем будет возможно сфокусировать свет от матрицы нано-OLED в одном направлении и использовать его для построения мощных мини-лазеров», — ожидает Маркато.

Поляризованный свет — свет, осциллирующий только в одной плоскости — также может быть сгенерирован посредством взаимодействий, как исследователи уже продемонстрировали. Сегодня это работает в медицине, например, для отличия здоровой ткани от раковой.

Современные радио и радарные технологии дают нам представление о потенциале этих взаимодействий. Они используют длины волн от миллиметров до километров и уже давно эксплуатируют эти взаимодействия. Так называемые фазированные решётки позволяют антеннам или сигналам передатчиков быть точно выровненными и сфокусированными. В оптическом спектре такие технологии могли бы, среди прочего, помочь ещё больше ускорить передачу информации в сетях данных и компьютерах.

Базовый принцип взаимодействующих волн может быть адекватно проиллюстрирован броском двух камней рядом друг с другом в зеркально-гладкое озеро. Там, где круговые водные волны встречаются, создаётся геометрический паттерн гребней и впадин волн. Подобным образом, интеллектуально расположенные нано-OLED могут производить оптические волновые эффекты, в которых свет от соседних пикселей взаимно усиливает или гасит друг друга.

В производстве OLED до сих пор светящиеся молекулы впоследствии парялись на кремниевые чипы. Это достигалось использованием относительно толстых металлических масок, которые производят соответствующие более крупные пиксели. Но как объяснил О, стремление к миниатюризации теперь становится возможным благодаря особому керамическому материалу: «Нитрид кремния может формировать очень тонкие, но устойчивые мембраны, которые не провисают на площадях всего в несколько квадратных миллиметров».

Следовательно, исследователи смогли производить шаблоны для размещения нано-OLED пикселей, которые примерно в 3000 раз тоньше. «Наш метод также имеет преимущество в том, что он может быть интегрирован напрямую в стандартные литографические процессы, используемые для производства компьютерных чипов», — сказал О.

Новые нано-светодиоды были разработаны в контексте Консолидирующего гранта, присуждённого Ши в 2024 году Швейцарским национальным научным фондом (SNSF). Исследователи в настоящее время работают над оптимизацией своего метода. Помимо дальнейшей миниатюризации пикселей, фокус также на их контроле.

«Наша цель — соединить OLED таким образом, чтобы мы могли контролировать их индивидуально», — сказал Ши. «Это необходимо для использования полного потенциала взаимодействий между световыми пикселями. Среди прочего, точно контролируемые нано-пиксели могут открыть дверь к новым применениям фазированной оптики, которые могут электронно управлять и фокусировать световые волны».

В 1990-х годах postulировалось, что фазированная оптика позволит голографические проекции с двумерных экранов. Но Ши уже думает на шаг вперёд: в будущем группы взаимодействующих OLED могут быть объединены в мета-пиксели и позиционированы точно в пространстве. «Это позволит реализовать 3D-изображения вокруг зрителей», — сказал химик с взглядом в будущее.

Источник