De kleinste LED's ter wereld maken:de nano-LED-doorbraak van ETH Zürich

Elektronica en sensoren INSIDER

Een pixelarray van organische nano-lichtgevende diodes geeft het ETH-logo weer met een resolutie van 50.000 pixels per inch. (Afbeelding:Jiwoo Oh / ETH Zürich; Natuurfotonica)

Miniaturisatie geldt als de drijvende kracht achter de halfgeleiderindustrie. De enorme vooruitgang in computerprestaties sinds de jaren vijftig is grotendeels te danken aan het feit dat steeds kleinere structuren op siliciumchips kunnen worden vervaardigd. Chemische ingenieurs bij ETH Zürich zijn er nu in geslaagd de omvang van organische lichtemitterende diodes (OLED's) – die momenteel voornamelijk worden gebruikt in premium mobiele telefoons en tv-schermen – met verschillende ordes van grootte te verminderen. Hun onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics .

"De diameter van de kleinste OLED-pixels die we tot nu toe hebben ontwikkeld ligt in het bereik van 100 nanometer, wat betekent dat ze ongeveer 50 keer kleiner zijn dan de huidige stand van de techniek", zegt Jiwoo Oh, een promovendus die actief is in de onderzoeksgroep voor nanomateriaaltechnologie onder leiding van ETH-professor Chih-Jen Shih.

Oh ontwikkelde samen met Tommaso Marcato het proces voor de productie van de nieuwe nano-OLED's. "In slechts één enkele stap is de maximale pixeldichtheid nu ongeveer 2500 keer groter dan voorheen", zegt Marcato, die als postdoc actief is in de groep van Shih.

Ter vergelijking:tot de jaren 2000 volgde het tempo van de miniaturisering van computerprocessors de wet van Moore, volgens welke de dichtheid van elektronische elementen elke twee jaar verdubbelde.

Pixels variërend in grootte van 100 tot 200 nanometer vormen de basis voor schermen met ultrahoge resolutie die bijvoorbeeld haarscherpe beelden kunnen weergeven in een bril die dicht bij het oog wordt gedragen. Om dit te illustreren toonde het team van onderzoekers van Shih het ETH Zürich-logo. Het logo bestaat uit 2800 nano-OLED's, qua grootte vergelijkbaar met een menselijke cel, waarbij elk van de pixels ongeveer 200 nanometer meet. De kleinste pixels die tot nu toe zijn ontwikkeld door de onderzoekers van ETH Zürich bereiken een bereik van 100 nanometer.

Bovendien zouden deze kleine lichtbronnen ook kunnen helpen om te focussen op het submicrometerbereik door middel van microscopen met hoge resolutie. "Een nanopixel-array als lichtbron zou de kleinste delen van een monster kunnen verlichten. De afzonderlijke afbeeldingen zouden vervolgens op een computer kunnen worden samengevoegd om een ​​uiterst gedetailleerd beeld te leveren", aldus professor Shih. Hij beschouwt nanopixels ook als potentiële kleine sensoren die signalen van individuele zenuwcellen kunnen detecteren.

Deze minieme afmetingen openen ook mogelijkheden voor onderzoek en technologie die voorheen volledig buiten bereik lagen. Volgens Marcato:"Wanneer twee lichtgolven van dezelfde kleur dichter dan de helft van hun golflengte samenkomen - de zogenaamde diffractielimiet - oscilleren ze niet langer onafhankelijk van elkaar, maar beginnen ze met elkaar te interageren." In het geval van zichtbaar licht ligt deze limiet tussen de 200 en 400 nanometer, afhankelijk van de kleur. De door de ETH-onderzoekers ontwikkelde nano-OLED's kunnen zo dicht bij elkaar worden geplaatst.

Door de eerste experimenten uit te voeren, kon het team van Shih dergelijke interacties gebruiken om de richting van het uitgezonden licht op een gerichte manier te manipuleren. In plaats van licht uit te zenden in alle richtingen boven de chip, zenden de OLED's dan alleen licht uit onder zeer specifieke hoeken. "In de toekomst zal het mogelijk zijn om het licht van een nano-OLED-matrix in één richting te bundelen en dit te gebruiken om krachtige minilasers te bouwen", verwacht Marcato.

Gepolariseerd licht – licht dat slechts in één vlak oscilleert – kan ook worden gegenereerd door middel van interacties, zoals de onderzoekers al hebben aangetoond. Tegenwoordig wordt dit bijvoorbeeld in de geneeskunde gebruikt om gezond weefsel van kankerweefsel te onderscheiden.

Moderne radio- en radartechnologieën geven ons een idee van het potentieel van deze interacties. Ze gebruiken golflengten variërend van millimeters tot kilometers en maken al geruime tijd gebruik van deze interacties. Dankzij zogenaamde Phased Array-opstellingen kunnen antennes of zendersignalen nauwkeurig worden uitgelijnd en gefocust. In het optische spectrum zouden dergelijke technologieën onder meer kunnen helpen de overdracht van informatie in datanetwerken en computers verder te versnellen.

Het basisprincipe van op elkaar inwerkende golven kan treffend worden geïllustreerd door twee stenen naast elkaar in een spiegelglad meer te gooien. Waar de cirkelvormige watergolven elkaar ontmoeten, ontstaat een geometrisch patroon van golftoppen en -dalen. Op een vergelijkbare manier kunnen intelligent gerangschikte nano-OLED's optische golfeffecten produceren waarbij het licht van aangrenzende pixels elkaar wederzijds versterkt of opheft.

Bij de vervaardiging van OLED's tot nu toe zijn de lichtgevende moleculen vervolgens opgedampt op siliciumchips. Dit wordt bereikt door relatief dikke metalen maskers te gebruiken, die overeenkomstig grotere pixels produceren. Maar zoals Oh uitlegde, wordt de drang naar miniaturisering nu mogelijk gemaakt door een speciaal keramisch materiaal:"Siliciumnitride kan zeer dunne maar veerkrachtige membranen vormen die niet doorzakken op oppervlakken van slechts een paar vierkante millimeter."

Hierdoor konden de onderzoekers sjablonen maken voor het plaatsen van de nano-OLED-pixels die ongeveer 3.000 keer dunner zijn. "Onze methode heeft ook het voordeel dat deze rechtstreeks kan worden geïntegreerd in standaard lithografieprocessen die worden gebruikt voor de productie van computerchips", aldus Oh.

De nieuwe nano-lichtgevende diodes zijn ontwikkeld in de context van een Consolidator Grant die in 2024 aan Shih werd toegekend door de Swiss National Science Foundation (SNSF). De onderzoekers werken momenteel aan het optimaliseren van hun methode. Naast de verdere miniaturisering van de pixels ligt de focus ook op de besturing ervan.

"Ons doel is om de OLED's zo met elkaar te verbinden dat we ze individueel kunnen aansturen", aldus Shih. Dit is nodig om het volledige potentieel van de interacties tussen de lichtpixels te benutten. Nauwkeurig regelbare nanopixels zouden onder andere de deur kunnen openen voor nieuwe toepassingen van phased array-optica, die lichtgolven elektronisch kunnen sturen en focusseren.

In de jaren negentig werd gepostuleerd dat phased array-optiek holografische projecties vanaf tweedimensionale schermen mogelijk zou maken. Maar Shih denkt al een stap vooruit:in de toekomst kunnen groepen op elkaar inwerkende OLED's worden gebundeld in metapixels en nauwkeurig in de ruimte worden gepositioneerd. "Hierdoor zouden 3D-beelden rondom kijkers kunnen worden gerealiseerd", aldus de scheikundige, met een blik op de toekomst.

Bron