Ученые создали самый маленький пиксель в мире. Почему это не удалось до сих пор?

Люди хотят, чтобы экраны их устройств были более четкими и яркими. Чтобы добиться этого, пиксели должны становиться все меньше и меньше. Особенно это актуально для устройств дополненной и виртуальной реальности (AR/VR), где экран расположен близко к глазам и видимые пиксели существенно нарушают погружение в реальность.

И тут возникает проблема. Когда пиксель на основе органических светодиодов (OLED) сжимается до наноразмера, он перестает работать должным образом. У него снижается КПД, снижается яркость и он быстро выходит из строя. Причина этого кроется в физике электрического поля.

Проблема с острыми краями.

Типичный OLED-пиксель состоит из нескольких слоев органических материалов между двумя электродами. Когда вы подаете напряжение, один электрод (анод) инжектирует положительно заряженные «дырки», а другой (катод) инжектирует отрицательно заряженные электроны. Они встречаются в среднем, эмиссионном слое, рекомбинируют и излучают свет.

В большом пикселе это работает отлично. Но когда вы уменьшаете его, скажем, до 300 на 300 нанометров, в игру вступают граничные эффекты. Края наноэлектрода становятся чрезвычайно острыми на атомном уровне. Любой физик скажет вам, что электрическое поле концентрируется именно на острых проводящих краях, создавая области чрезвычайно высокой напряженности.

И это приводит к двум негативным последствиям:

• Неравномерная зарядка. Ток начинает течь в основном через эти точки по краям, а не через всю поверхность пикселя. Поэтому большая часть энергии преобразуется в тепло, а не в свет.
• Формирование металлических нитей. Сильное поле вытягивает атомы металла из электрода. Из них растут тонкие нити. Когда нить достигает второго электрода, происходит короткое замыкание. Пиксель перестает работать.

Этот барьер долгое время препятствовал производству OLED-дисплеев с очень маленькими пикселями.

Но ученые из Вюрцбургского университета предложили метод, который поможет их создать.

А что, если мы просто изолируем концы?

Вместо того, чтобы бороться с острыми краями, исследователи решили их нейтрализовать. Они взяли золотой наноэлектрод и полностью покрыли его тонким слоем диэлектрика — материала, не проводящего электричество.

Затем в середине этого покрытия они сделали небольшое отверстие, называемое наноапертурой.

Что это меняет? Теперь ток не может течь через ребра проблемы, поскольку они закрыты. Единственный путь для зарядов — через плоскую поверхность золота в центре отверстия. В этом месте электрическое поле однородно и управляемо.

От идеи до работающего нанопикселя

Чтобы проверить метод, команда создала тестовые устройства. Они сравнили характеристики обычных наноэлектродов и новых с изолирующим покрытием и отверстием.

В конечном итоге устройство без защитного слоя вышло из строя через три минуты из-за роста металлических нитей. Устройство наноотверстий стабильно работало на протяжении 30 минут эксперимента. Из 33 изготовленных пикселей 30 показали практически идентичную и стабильную работу. Это показывает, что технология хорошо воспроизводима.

Затем ученые собрали полноценную нано-OLED-матрицу с размером пикселей 300 на 300 нанометров.

Новый Pixel демонстрирует высокая яркостьсравнимый с коммерческими экранами, и хорошая эффективность. Для такого маленького прототипа это отличные показатели. Пиксель также включается и выключается очень быстробыстрее, чем необходимо для видео.

Но нужно было учитывать еще одну вещь. Создать свет – это полдела. Как эффективно освободить его от такой маленькой структуры? И вот еще один аспект этого исследования.

Дополнительный компонент: плазмонная антенна

Выбор золота для нижнего электрода не случаен. На наноуровне структурированный металл больше не является просто проводником. Она становится плазмонной наноантенной.

Плазмоны — это коллективные колебания электронов в металле. Когда свет, генерируемый в органическом слое, взаимодействует с наноструктурой золота, он раскачивает эти электронные колебания. В свою очередь, эта «шаткая» антенна очень эффективно переизлучает энергию в виде света в окружающее пространство.

Фактически золотой наноэлектрод выполняет двойную функцию: он служит стабильным контактом и в то же время является антенной, направляющей и эффективно излучающей генерируемый свет. Таким образом решается проблема низкого уровня светового излучения, характерного для наноразмерных источников.

Каковы перспективы?

Это научное открытие знаменует собой новый прорыв в нанотехнологиях, поскольку ученые создали самый маленький пиксель из когда-либо существовавших. Долгое время физические барьеры и технологические проблемы делали это невозможным, ограничивая развитие дисплеев. Итак, теперь понятно, почему пиксельная технология испытывает такие трудности на этом уровне и как новый метод наконец решает эти проблемы, открывая дверь совершенно новому поколению экранов и датчиков.

Эта исследовательская работа показывает реальный способ преодолеть главное препятствие на пути создания дисплеев со сверхплотной плотностью пикселей. Это, вероятно, приведет к созданию и коммерциализации стабильных и ярких светодиодов таких размеров, которые ранее считались непрактичными.