Умные очки, которые отображают информацию прямо в поле зрения, считаются ключевой технологией будущего, но до сих пор их использование часто терпело неудачу из-за громоздких технологий. Однако классические оптические ограничения не позволяют создавать эффективные светоизлучающие пиксели, если их размер уменьшить до длины волны излучаемого света.
Теперь физики из Университета Юлиуса-Максимилиана в Вюрцбурге (JMU) сделали решающий шаг к созданию светящихся миниатюрных дисплеев и с помощью оптических антенн создали самый маленький пиксель в мире на сегодняшний день.
Группа исследователей под руководством профессоров Йенса Пфлаума и Берта Хехта опубликовала результаты своей работы в журнале Science Advances.
«С помощью металлического контакта, который позволяет вводить ток в органический светодиод (OLED), одновременно усиливая и испуская генерируемый свет, мы создали пиксель для оранжевого света на площади размером всего 300 на 300 нанометров. Этот пиксель такой же яркий, как и обычный пиксель OLED с обычными размерами 5 на 5 микрометров», — говорит Хехт, описывая ключевой вывод исследования.
Для понимания: нанометр — это одна миллионная миллиметра. Это означает, что дисплей или проектор с разрешением 1920 x 1080 пикселей может легко поместиться на площади всего в один квадратный миллиметр. Это, например, позволяет интегрировать дисплей в дужки очков, откуда генерируемый свет будет проецироваться на линзы.
OLED состоит из нескольких ультратонких органических слоёв, встроенных между двумя электродами. Когда ток проходит через этот стек, электроны и дырки рекомбинируют и электрически возбуждают органические молекулы в активном слое, которые затем высвобождают эту энергию в виде световых квантов.
Поскольку каждый пиксель светится сам по себе, подсветка не требуется, что обеспечивает особенно глубокий чёрный цвет, яркие цвета и эффективное управление энергопотреблением для портативных устройств в области дополненной и виртуальной реальности (AR и VR).
Ключевой проблемой, с которой столкнулись исследователи из Вюрцбурга при дальнейшей миниатюризации своих пикселей, было неравномерное распределение токов на таких малых размерах.
«Простое уменьшение размера установленной OLED-концепции, как с громоотводом, привело бы к тому, что токи излучались бы в основном из углов антенны», — говорит Пфлаум, описывая физический фон. Эта антенна, сделанная из золота, имеет форму прямоугольного параллелепипеда с длинами рёбер 300 на 300 на 50 нанометров.
«Возникающие электрические поля генерировали бы такие сильные силы, что атомы золота, становясь подвижными, постепенно прорастали бы в оптически активный материал», — продолжает Пфлаум. Эти ультратонкие структуры, также известные как «филаменты», продолжали бы расти до тех пор, пока пиксель не был бы разрушен коротким замыканием.
Разработанная в Вюрцбурге структура содержит специально изготовленный изоляционный слой поверх оптической антенны, который оставляет в центре антенны только круглое отверстие диаметром 200 нанометров. Такое расположение блокирует токи, которые могли бы поступать с краёв и углов, обеспечивая надёжную и длительную работу нано-светодиода.
В следующих шагах физики хотят ещё больше повысить эффективность с нынешнего уровня в 1% и расширить цветовую гамму до спектрального диапазона RGB. Затем практически ничто не будет мешать созданию нового поколения миниатюрных дисплеев «сделанных в Вюрцбурге».
Благодаря этой технологии дисплеи и проекторы в будущем могут стать настолько маленькими, что их можно будет практически незаметно интегрировать в носимые на теле устройства — от оправ очков до контактных линз.
Предоставлено: Университет Юлиуса-Максимилиана в Вюрцбурге.