打造世界最小LED：苏黎世联邦理工学院纳米LED突破

Electronics & Sensors INSIDER

有机纳米发光二极管像素阵列显示ETH标志，分辨率达50,000像素/英寸。（图片：Jiwoo Oh / ETH Zurich; Nature Photonics）

微型化是半导体行业驱动力。自1950年代以来计算机性能巨大增益，很大程度上因硅芯片上可制造越来越小结构。苏黎世联邦理工学院化学工程师现将有机发光二极管（OLED）——目前主要用于高端手机和电视屏幕——尺寸缩小数个数量级。研究近期发表于《Nature Photonics》。

“迄今开发最微小OLED像素直径在100纳米量级，比当前最先进水平小约50倍，”活跃于ETH教授Chih-Jen Shih纳米材料工程研究组的博士生Jiwoo Oh说。

Oh与Tommaso Marcato共同开发新纳米OLED制造工艺。“仅单步，最大像素密度现比以前高约2500倍，”活跃于Shih组博士后的Marcato说。

对比：至2000年代，计算机处理器微型化遵循摩尔定律，电子元件密度每两年翻倍。

100至200纳米像素为超高分辨率屏幕奠基，可在贴近眼睛眼镜显示剃刀锐利图像。为说明此点，Shih团队显示ETH苏黎世标志。标志由2800个纳米OLED组成，尺寸类似人体细胞，每像素约200纳米。迄今ETH研究人员开发最小像素达100纳米量级。

此外，这些微小光源还可助聚焦亚微米范围，通过高分辨率显微镜。“纳米像素阵列作光源可照亮样品最微小区域。单个图像可在计算机组装成极详细图像，”Shih教授说。他也视纳米像素为潜在微型传感器，可检测单个神经细胞信号。

这些微小尺寸也打开先前完全不可及的研究和技术可能性。据Marcato：“当两个同色光波汇聚距离小于半波长——所谓衍射极限——它们不再独立振荡，开始相互作用。”可见光情况下此极限约200至400纳米，视颜色而定——ETH研究人员开发纳米OLED可如此靠近定位。

初步实验中，Shih团队利用此类相互作用定向操控发射光方向。纳米OLED不再向芯片上方所有方向发光，仅在极特定角度发光。“未来可将纳米OLED矩阵光捆绑单方向，用于构建强大微型激光器，”Marcato期待。

偏振光——仅单平面振荡光——也可通过相互作用产生，研究者已演示。今日医学中用于区分健康组织与癌变组织。

现代无线电雷达技术给我们这些相互作用潜力概念。它们用毫米至公里波长，已利用这些相互作用一段时间。所谓相控阵排列允许天线或发射信号精准对准聚焦。在光谱中，此类技术除其他外可帮助进一步加速数据网络和计算机信息传输。

相互作用波基本原理可用向镜面平静湖面投两石说明。圆形水波相遇处创造波峰波谷几何图案。类似地，智能排列纳米OLED可产生光学波效应，相邻像素光相互增强或抵消。

迄今OLED制造中，发光分子后续气相沉积硅芯片。使用相对厚金属掩模，产生相应较大像素。但Oh解释，微型化驱动现由特种陶瓷材料实现：“氮化硅能形成极薄却坚韧膜，不在仅几平方毫米表面下垂。”

因此研究人员能生产放置纳米OLED像素模板，厚度约薄3000倍。“我们方法也有优势可直接集成标准光刻工艺用于计算机芯片生产，”Oh说。

新纳米发光二极管在2024年瑞士国家科学基金会（SNSF）授予Shih巩固基金背景下开发。研究人员目前优化方法。除进一步像素微型化，重点也在控制上。

“我们目标以可单独控制方式连接OLED，”Shih说。这为充分利用光像素间相互作用必要。除其他外，精确可控纳米像素可开启相控阵光学新应用，可电子导向聚焦光波。

1990年代设想相控阵光学将实现二维屏幕全息投影。但Shih已更进一步思考：未来相互作用OLED群可捆绑成元像素并精准空间定位。“这将允许观看者周围实现3D图像，”化学家展望未来。

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