Создание самых маленьких в мире светодиодов:прорыв в области нано-светодиодов от ETH Zurich

Электроника и датчики INSIDER

Пиксельная матрица органических наносветодиодов отображает логотип ETH с разрешением 50 000 пикселей на дюйм. (Изображение:Jiwoo Oh / ETH Zurich; Nature Photonics)

Миниатюризация считается движущей силой полупроводниковой промышленности. Огромный прирост производительности компьютеров с 1950-х годов во многом обусловлен тем, что на кремниевых чипах можно изготавливать все более мелкие структуры. Инженерам-химикам из ETH Zurich теперь удалось на несколько порядков уменьшить размер органических светодиодов (OLED), которые в настоящее время в основном используются в мобильных телефонах и экранах телевизоров премиум-класса. Их исследование было недавно опубликовано в журнале Nature Photonics. .

«Диаметр самых маленьких пикселей OLED, которые мы разработали на сегодняшний день, находится в диапазоне 100 нанометров, что означает, что они примерно в 50 раз меньше, чем современные технологии», — сказал Джиу О, аспирант, работающий в исследовательской группе по разработке наноматериалов, возглавляемой профессором ETH Чи-Джен Ши.

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

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

Пиксели размером от 100 до 200 нанометров составляют основу для экранов сверхвысокого разрешения, которые могут отображать предельно четкое изображение, например, в очках, надетых близко к глазу. Чтобы проиллюстрировать это, команда исследователей Ши продемонстрировала логотип ETH Zurich. Логотип состоит из 2800 нано-OLED, размером с человеческую клетку, каждый из пикселей имеет размер около 200 нанометров. Самые маленькие пиксели, разработанные исследователями ETH Zurich, достигают размера 100 нанометров.

Более того, эти крошечные источники света также могут помочь сфокусироваться на субмикрометровом диапазоне с помощью микроскопов высокого разрешения. «Нанопиксельная матрица в качестве источника света может осветить самые мельчайшие участки образца. Затем отдельные изображения можно будет собрать на компьютере, чтобы получить чрезвычайно детальное изображение», — сказал профессор Ши. Он также воспринимает нанопиксели как потенциальные крошечные датчики, способные улавливать сигналы от отдельных нервных клеток.

Эти мельчайшие размеры также открывают возможности для исследований и технологий, которые ранее были совершенно недоступны. По словам Маркато:«Когда две световые волны одного и того же цвета сходятся ближе, чем на половине своей длины волны — так называемый дифракционный предел — они больше не колеблются независимо друг от друга, а начинают взаимодействовать друг с другом». В случае видимого света этот предел составляет от 200 до 400 нанометров, в зависимости от цвета — нано-OLED, разработанные исследователями ETH, могут быть расположены так близко друг к другу.

Проведя первоначальные эксперименты, команда Ши смогла использовать такие взаимодействия для целевого управления направлением излучаемого света. Вместо того, чтобы излучать свет во всех направлениях над чипом, OLED излучают свет только под очень определенными углами. «В будущем станет возможным направлять свет от нано-OLED-матрицы в одном направлении и использовать его для создания мощных мини-лазеров», — ожидает Маркато.

Поляризованный свет — свет, который колеблется только в одной плоскости — также может генерироваться посредством взаимодействий, как уже продемонстрировали исследователи. Сегодня это работает, например, в медицине, чтобы отличить здоровую ткань от раковой.

Современные радио- и радиолокационные технологии дают нам представление о потенциале этих взаимодействий. Они используют длины волн в диапазоне от миллиметров до километров и уже некоторое время используют эти взаимодействия. Так называемые схемы с фазированной решеткой позволяют антеннам или сигналам передатчика быть точно выровнены и сфокусированы. В оптическом спектре такие технологии могут, среди прочего, способствовать дальнейшему ускорению передачи информации в сетях передачи данных и компьютерах.

Основной принцип взаимодействия волн можно хорошо проиллюстрировать, бросив два камня рядом друг с другом в зеркально гладкое озеро. Там, где встречаются круговые волны воды, создается геометрический узор из гребней и впадин волн. Аналогичным образом разумно расположенные нано-OLED могут создавать эффекты оптических волн, при которых свет от соседних пикселей взаимно усиливает или нейтрализует друг друга.

На сегодняшний день при производстве органических светодиодов светоизлучающие молекулы впоследствии осаждаются из паровой фазы на кремниевые чипы. Это достигается за счет использования относительно толстых металлических масок, которые создают соответственно более крупные пиксели. Но, как объяснил О, стремление к миниатюризации теперь становится возможным благодаря специальному керамическому материалу:«Нитрид кремния может образовывать очень тонкие, но упругие мембраны, которые не провисают на поверхностях площадью всего несколько квадратных миллиметров».

В результате исследователи смогли создать шаблоны для размещения нано-OLED-пикселей, которые примерно в 3000 раз тоньше. «Наш метод также имеет то преимущество, что его можно напрямую интегрировать в стандартные процессы литографии, используемые для производства компьютерных чипов», — сказал О.

Новые наносветодиоды были разработаны в рамках гранта консолидатора, предоставленного Ши в 2024 году Швейцарским национальным научным фондом (SNSF). В настоящее время исследователи работают над оптимизацией своего метода. Помимо дальнейшей миниатюризации пикселей, основное внимание также уделяется их контролю.

«Наша цель — соединить OLED таким образом, чтобы мы могли управлять ими индивидуально», — сказал Ши. Это необходимо для того, чтобы использовать весь потенциал взаимодействия между световыми пикселями. Помимо прочего, точно управляемые нанопиксели могут открыть двери для новых применений оптики с фазированной решеткой, которая может управлять и фокусировать световые волны электронным способом.

В 1990-х годах было высказано предположение, что оптика с фазированной решеткой позволит создавать голографические проекции с двумерных экранов. Но Ши уже думает на шаг вперед:в будущем группы взаимодействующих OLED-дисплеев можно будет объединять в метапиксели и располагать точно в пространстве. "Это позволит реализовать 3D-изображения вокруг зрителей", - сказал химик, заглядывая в будущее.

Источник