Миниатюризация является движущей силой полупроводниковой промышленности. Огромные успехи в производительности компьютеров с 1950-х годов во многом обусловлены тем, что на кремниевых чипах можно изготавливать структуры всё меньшего размера.
Химики из ETH Zurich значительно уменьшили размер органических светодиодов (OLED)
Химики-технологи из ETH Zurich смогли уменьшить размер органических светодиодов (OLED), которые в настоящее время в основном используются в мобильных телефонах премиум-класса и экранах телевизоров, на несколько порядков. Их исследование недавно было опубликовано в журнале Nature Photonics.
Органические светодиоды — это электронные чипы, изготовленные из полупроводниковых материалов, которые преобразуют электрический ток в свет. Диаметр самых маленьких OLED-пикселей, разработанных на данный момент, составляет около 100 нанометров, что примерно в 50 раз меньше, чем у современных аналогов, — объясняет Дживу О, докторант исследовательской группы по наноматериалам под руководством профессора ETH Чи-Джен Ши.
О разработал процесс изготовления новых нано-OLED совместно с Томмазо Маркато. «Максимальная плотность пикселей теперь примерно в 2 500 раз больше, чем раньше», — добавляет Маркато, который работает в группе Ши в качестве постдока.
Сравнение с законом Мура
Для сравнения: 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 лежат в основе создания экранов сверхвысокого разрешения, которые могут отображать резкие изображения на экранах, например, в очках, расположенных близко к глазу. Чтобы проиллюстрировать это, команда исследователей Ши показала логотип ETH Zurich. Он состоит из 2 800 нано-OLED и похож по размеру на человеческую клетку, причём каждый пиксель имеет размер около 200 нанометров (0,2 микрометра).
Применение нано-OLED
Кроме того, эти крошечные источники света могут помочь сфокусироваться на субмикронном диапазоне с помощью микроскопов высокого разрешения. «Массив нанопикселей в качестве источника света может освещать самые маленькие участки образца — отдельные изображения затем можно собрать на компьютере для получения чрезвычайно детального изображения», — объясняет профессор технической химии. Он также видит в нанопикселях потенциальные крошечные датчики, которые могут обнаруживать сигналы от отдельных нервных клеток.
Взаимодействие световых волн
Эти крошечные размеры также открывают возможности для исследований и технологий, которые ранее были совершенно недоступны. Как отмечает Маркато, «когда две световые волны одного цвета сходятся ближе, чем половина их длины волны — так называемый дифракционный предел — они больше не колеблются независимо друг от друга, а начинают взаимодействовать». В случае видимого света этот предел составляет от 200 до 400 нанометров, в зависимости от цвета — и нано-OLED, разработанные исследователями ETH, могут располагаться так близко друг к другу.
Оптические волновые эффекты
Основной принцип взаимодействия волн можно наглядно проиллюстрировать, бросив два камня рядом в зеркально гладкое озеро. Там, где встречаются круговые волны воды, создаётся геометрический узор из гребней и впадин волн. Аналогичным образом, грамотно расположенные нано-OLED могут создавать оптические волновые эффекты, в которых свет от соседних пикселей взаимно усиливает или гасит друг друга.
Проведя начальные эксперименты, команда Ши смогла использовать такие взаимодействия для целенаправленного управления направлением излучаемого света. Вместо того чтобы излучать свет во всех направлениях над чипом, OLED теперь излучают свет только под очень определёнными углами. «В будущем также можно будет объединять свет от матрицы нано-OLED в одном направлении и использовать его для создания мощных мини-лазеров», — говорит Маркато.
Поляризованный свет
Поляризованный свет — это свет, который колеблется только в одной плоскости — также может быть создан с помощью взаимодействий, как уже продемонстрировали исследователи. Сегодня это используется в медицине, например, для того, чтобы отличить здоровую ткань от раковой.
Современные радио- и радарные технологии
Современные радио- и радарные технологии дают нам представление о потенциале этих взаимодействий. Они используют длины волн от миллиметров до километров и уже некоторое время используют эти взаимодействия. Так называемые фазированные антенные решётки позволяют точно выравнивать и фокусировать антенны или сигналы передатчика.
В оптическом спектре такие технологии могут, среди прочего, помочь ещё больше ускорить передачу информации в сетях передачи данных и компьютерах.
Изготовление OLED
До сих пор при изготовлении OLED светоизлучающие молекулы наносили на кремниевые чипы путём парофазного осаждения. Это достигается с помощью относительно толстых металлических масок, которые производят соответственно более крупные пиксели.
Как объясняет О, стремление к миниатюризации теперь стало возможным благодаря специальному керамическому материалу. «Нитрид кремния может образовывать очень тонкие, но упругие мембраны, которые не провисают на поверхностях размером всего в несколько квадратных миллиметров», — говорит он.
В результате исследователи смогли изготовить шаблоны для размещения нано-OLED-пикселей, которые примерно в 3 000 раз тоньше. «Наш метод также имеет то преимущество, что его можно интегрировать непосредственно в стандартные процессы литографии для производства компьютерных чипов», — утверждает О.
Исследователи в настоящее время работают над оптимизацией своего метода. Помимо дальнейшей миниатюризации пикселей, основное внимание уделяется их управлению. «Наша цель — соединить OLED таким образом, чтобы мы могли управлять ими индивидуально», — говорит Ши. Это необходимо для того, чтобы использовать весь потенциал взаимодействия между световыми пикселями. Среди прочего, точно управляемые нанопиксели могут открыть дверь для новых применений фазированной антенной оптики, которая может электронно управлять и фокусировать световые волны.
В 1990-х годах было постулировано, что фазированная антенная оптика позволит реализовать голографические проекции с двухмерных экранов. Но Ши уже думает на шаг вперёд: в будущем группы взаимодействующих OLED можно будет сгруппировать в метапиксели и расположить точно в пространстве. «Это позволит реализовать 3D-изображения вокруг зрителей», — говорит химик.