打造世界上最小的 LED：苏黎世联邦理工学院的 Nano-LED 突破

电子与传感器内幕

有机纳米发光二极管的像素阵列以每英寸 50,000 像素的分辨率显示 ETH 徽标。 （图片来源：Jiwoo Oh / 苏黎世联邦理工学院；Nature Photonics）

小型化是半导体行业背后的驱动力。自 20 世纪 50 年代以来计算机性能的巨大进步很大程度上归功于硅芯片上可以制造更小的结构。苏黎世联邦理工学院的化学工程师现已成功将有机发光二极管 (OLED) 的尺寸缩小了几个数量级，目前有机发光二极管主要用于高端手机和电视屏幕。他们的研究最近发表在《自然光子学》杂志上 .

苏黎世联邦理工学院教授 Chih-Jen Shih 领导的纳米材料工程研究小组的博士生 Jiwoo Oh 表示：“迄今为止，我们开发的最微小 OLED 像素的直径在 100 纳米范围内，这意味着它们比当前技术水平小约 50 倍。”

Oh 与 Tommaso Marcato 一起开发了新型纳米 OLED 的制造工艺。 “只需一步，最大像素密度现在就比以前高出约 2500 倍，”Shih 团队中活跃的博士后 Marcato 说道。

相比之下，直到2000年代，计算机处理器的小型化步伐都遵循摩尔定律，根据该定律，电子元件的密度每两年翻一番。

例如，尺寸范围为 100 至 200 纳米的像素构成了超高分辨率屏幕的基础，超高分辨率屏幕可以在靠近眼睛佩戴的眼镜中显示清晰的图像。为了说明这一点，施的研究团队展示了苏黎世联邦理工学院的标志。该标志由 2800 个纳米 OLED 组成，其大小与人体细胞相似，每个像素的尺寸约为 200 纳米。苏黎世联邦理工学院研究人员迄今为止开发的最小像素达到了 100 纳米范围。

此外，这些微小的光源还可以通过高分辨率显微镜帮助聚焦于亚微米范围。 “纳米像素阵列作为光源可以照亮样本最微小的区域。然后可以在计算机上组装各个图像，以提供极其详细的图像，”施教授说。他还认为纳米像素是潜在的微型传感器，可以检测来自单个神经细胞的信号。

这些微小的尺寸也为以前完全无法实现的研究和技术提供了可能性。根据马卡托的说法：“当相同颜色的两个光波会聚得比其波长的一半更近时（即所谓的衍射极限），它们不再彼此独立振荡，而是开始相互作用。”在可见光的情况下，这个限制大约在 200 到 400 纳米之间，具体取决于颜色 - ETH 研究人员开发的纳米 OLED 可以如此紧密地放置在一起。

在进行初步实验时，施的团队能够利用这种相互作用有针对性地操纵发射光的方向。 OLED 不再向芯片上方的所有方向发光，而是仅以非常特定的角度发光。 “未来，将有可能将来自纳米 OLED 矩阵的光集中到一个方向，并利用它来构建强大的微型激光器，”Marcato 预计。

正如研究人员已经证明的那样，偏振光（仅在一个平面上振荡的光）也可以通过相互作用产生。如今，这已在医学中发挥作用，例如，用于区分健康组织和癌组织。

现代无线电和雷达技术让我们了解了这些相互作用的潜力。他们使用从毫米到公里的波长，并且已经利用这些相互作用一段时间了。所谓的相控阵布置允许天线或发射器信号精确对准和聚焦。在光谱中，此类技术可以帮助进一步加速数据网络和计算机中的信息传输。

通过将两块相邻的石头扔进镜面光滑的湖中，可以恰当地说明相互作用波的基本原理。在圆形水波相遇的地方，形成了波峰和波谷的几何图案。以类似的方式，智能排列的纳米OLED可以产生光波效应，其中来自相邻像素的光相互增强或相互抵消。

迄今为止，在 OLED 的制造中，发光分子随后被气相沉积到硅芯片上。这是通过使用相对较厚的金属掩模来实现的，金属掩模产生相应更大的像素。但正如 Oh 所解释的那样，一种特殊的陶瓷材料正在推动小型化：“氮化硅可以形成非常薄但有弹性的薄膜，在几平方毫米的表面上不会下垂。”

因此，研究人员能够生产出用于放置薄约 3,000 倍的纳米 OLED 像素的模板。 Oh 说：“我们的方法还有一个优点，即它可以直接集成到用于生产计算机芯片的标准光刻工艺中。”

这些新型纳米发光二极管是在瑞士国家科学基金会 (SNSF) 于 2024 年授予 Shih 的 Consolidator Grant 背景下开发的。研究人员目前正在努力优化他们的方法。除了像素的进一步小型化外，重点还在于控制像素。

“我们的目标是以一种可以单独控制 OLED 的方式连接 OLED，”Shih 说道。为了充分利用光像素之间相互作用的潜力，这是必要的。除此之外，精确可控的纳米像素可以为相控阵光学的新颖应用打开大门，它可以电子方式引导和聚焦光波。

在 20 世纪 90 年代，人们推测相控阵光学器件将能够实现二维屏幕的全息投影。但施已经提前思考了一步：在未来，一组相互作用的 OLED 可以被捆绑成元像素并在空间中精确定位。 “这将使 3D 图像在观众周围得以实现，”这位化学家展望未来说道。

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