De Werelds Kleinste LEDs Maken: ETH Zürich's Nano-LED Doorbraak

Electronics & Sensors INSIDER

Een pixelarray van organische nano light-emitting diodes toont het ETH-logo met een resolutie van 50.000 pixels per inch. (Afbeelding: Jiwoo Oh / ETH Zurich; Nature Photonics)

Miniaturisering is de drijvende kracht achter de halfgeleiderindustrie. De enorme prestatiewinst in computers sinds de jaren 1950 is grotendeels te danken aan het feit dat steeds kleinere structuren op silicium chips geproduceerd kunnen worden. Chemische ingenieurs aan ETH Zürich hebben nu ervaren in het verkleinen van de grootte van organische light-emitting diodes (OLEDs) – die momenteel primair gebruikt worden in premium mobiele telefoons en TV-schermen – met verschillende orde van grootte. Hun studie werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics.

"De diameter van de meest minuscule 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 state-of-the-art," zei Jiwoo Oh, een doctoraal student actief in de nanomateriaal engineering onderzoeksgroep geleid door ETH Professor Chih-Jen Shih.

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

Ter vergelijking: tot in de jaren 2000 volgde het miniaturisatietempo van computerprocessoren 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 ultra-hoge-resolutie schermen die razorscherpe afbeeldingen in brillen dicht bij het oog kunnen tonen, bijvoorbeeld. Om dit te illustreren, toonde Shih's onderzoeksteam het ETH Zürich logo. Het logo bestaat uit 2800 nano-OLEDs, vergelijkbaar in grootte met een menselijke cel, met elk van zijn pixels van ongeveer 200 nanometer. De kleinste pixels die tot nu toe door de ETH Zürich onderzoekers zijn ontwikkeld, bereiken het bereik van 100 nanometer.

Bovendien kunnen deze minuscule lichtbronnen ook helpen om te focusseren op de sub-micrometer bereik via hoge-resolutie microscopen. "Een nano-pixel array als lichtbron zou de meest minuten gebieden van een monster kunnen verlicht. De individuele afbeeldingen kunnen dan op een computer samengesteld worden om een extreem gedetailleerde afbeelding te leveren," zei Professor Shih. Hij ziet nano-pixels ook als potentiële minuscule sensoren die signalen van individuele zenuwcellen kunnen detecteren.

Deze minieme afmetingen openen ook mogelijkheden voor onderzoek en technologie die eerder volledig onbereikbaar waren. Volgens Marcato: "Wanneer twee lichtgolven van dezelfde kleur dichter bij elkaar komen dan half hun golflengte – de zogenaamde diffractielimiet – oscilleren ze niet meer onafhankelijk van elkaar maar beginnen met elkaar te interageren." In het geval van zichtbaar licht ligt deze limiet tussen ongeveer 200 en 400 nanometer, afhankelijk van de kleur – de nano-OLEDs die door de ETH onderzoekers zijn ontwikkeld, kunnen zo dicht bij elkaar geplaatst worden.

Door het uitvoeren van initiële experimenten, was Shih's team in staat om dergelijke interacties te gebruiken om de richting van de uitgezonden licht in een gerichte manier te manipuleren. In plaats van licht in alle richtingen boven de chip uit te zenden, zenden de OLEDs dan alleen licht uit onder heel specifieke hoeken. "In de toekomst zal het mogelijk zijn om het licht van een nano-OLED matrix in één richting te bundelen en het te benutten om krachtige mini-lasers te construeren," verwacht Marcato.

Gepolariseerd licht – licht dat slechts in één vlak oscilleert – kan ook gegenereerd worden door middel van interacties, zoals de onderzoekers al hebben gedemonstreerd. Vandaag is dit in de geneeskunde aan het werk, bijvoorbeeld om gezond weefsel van kankerachtig weefsel te onderscheiden.

Moderne radio- en radartechnologieën geven ons een idee van het potentieel van deze interacties. Ze gebruiken golflengtes variërend van millimeters tot kilometers en hebben deze interacties al enige tijd benut. Zogenaamde phased array arrangementen laten antennes of zendersignalen precies aligneren en focussen. In het optische spectrum zouden dergelijke technologieën, onder andere, kunnen helpen de informatieoverdracht in datanetwerken en computers verder te versnellen.

Het basisprincipe van interactieve golven kan passend geïllustreerd worden door twee stenen naast elkaar in een spiegelvlak meer te werpen. Waar de cirkelvormige watergolven elkaar ontmoeten, ontstaat een geometrisch patroon van golfkammen en -dalen. Op een vergelijkbare manier kunnen intelligente gerangschikte nano-OLEDs optische golfeffecten produceren waarin het licht van burende pixels elkaars versterkt of uitschakelt.

In de productie van OLEDs tot nu toe zijn de lichtgevende moleculen vervolgens op silicium chips verdampt. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van relatief dikke metalen maskers, die corresponderend grotere pixels produceren. Maar zoals Oh uitleegde, wordt de drive naar miniaturisatie nu mogelijk gemaakt door een speciaal keramisch materiaal: "Silicon nitride kan zeer dunne maar veerkrachtige membranen vormen die niet doorbuigen op oppervlakken van slechts een paar vierkante millimeters."

Gevolgd konden de onderzoekers templates produceren voor het plaatsen van de nano-OLED pixels die ongeveer 3.000 keer dunner zijn. "Onze methode heeft ook het voordeel dat het direct geïntegreerd kan worden in standaard lithografieprocessen die gebruikt worden voor de productie van computerchips," zei Oh.

De nieuwe nano light-emitting diodes zijn ontwikkeld binnen de context van een Consolidator Grant toegewezen aan Shih in 2024 door de Swiss National Science Foundation (SNSF). De onderzoekers werken momenteel aan het optimaliseren van hun methode. Naast de verdere miniaturisatie van de pixels, ligt de focus ook op het controleren ervan.

"Ons doel is om de OLEDs zo te verbinden dat we ze individueel kunnen controleren," zei Shih. Dit is nodig om het volledige potentieel van de interacties tussen de lichtpixels te benutten. Onder andere dingen kunnen precies controleerbare nano-pixels de deur openen voor nieuwe toepassingen van phased array optica, die lichtgolven elektronisch kunnen sturen en focussen.

In de jaren 1990 werd voorgesteld dat phased array optica holografische projecties van tweedimensionale schermen zou mogelijk maken. Maar Shih denkt al een stap verder: in de toekomst zouden groepen van interagerende OLEDs gebundeld kunnen worden in meta-pixels en precies in de ruimte gepositioneerd. "Dit zou 3D-afbeeldingen rond kijkers mogelijk maken," zei de scheikundige, met een blik naar de toekomst.

Bron