Criando os Menores LEDs do Mundo: Breakthrough de Nano-LED da ETH Zurich

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Um array de pixels de diodos orgânicos emissores de luz nano exibe o logo da ETH com resolução de 50.000 pixels por polegada. (Imagem: Jiwoo Oh / ETH Zurich; Nature Photonics)

Miniaturização classifica-se como força motriz por trás da indústria de semicondutores. Os tremendo ganhos em desempenho de computadores desde os anos 1950 são largamente devidos ao fato de que estruturas cada vez menores podem ser manufaturadas em chips de silício. Engenheiros químicos da ETH Zurich agora conseguiram reduzir o tamanho de diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) — que são atualmente usados principalmente em telefones móveis premium e telas de TV — em várias ordens de magnitude. Seu estudo foi publicado recentemente no periódico Nature Photonics.

"O diâmetro dos pixels OLED mais minúsculos que desenvolvemos até agora está na faixa de 100 nanômetros, o que significa que eles são cerca de 50 vezes menores que o estado da arte atual," disse Jiwoo Oh, doutoranda ativa no grupo de pesquisa de engenharia de nanomateriais liderado pelo Professor Chih-Jen Shih da ETH.

Oh desenvolveu o processo para manufaturar os novos nano-OLEDs junto com Tommaso Marcato. "Em apenas um único passo, a densidade máxima de pixels agora é cerca de 2500 vezes maior que antes," disse Marcato, que atua como pós-doc no grupo de Shih.

Por comparação: até os anos 2000, o ritmo de miniaturização de processadores de computador seguiu a Lei de Moore, segundo a qual a densidade de elementos eletrônicos dobrava a cada dois anos.

Pixels variando em tamanho de 100 a 200 nanômetros formam a base para telas de ultra-alta resolução que poderiam exibir imagens nítidas em óculos usados próximos ao olho, por exemplo. Para ilustrar isso, a equipe de Shih exibiu o logo da ETH Zurich. O logo consiste de 2800 nano-OLEDs, similar em tamanho a uma célula humana, com cada pixel medindo cerca de 200 nanômetros. Os menores pixels desenvolvidos até agora pelos pesquisadores da ETH Zurich alcançam a faixa de 100 nanômetros.

Além disso, estas minúsculas fontes de luz também poderiam ajudar a focar na faixa sub-micrômetro por meio de microscópios de alta resolução. "Um array de nano-pixels como fonte de luz poderia iluminar as áreas mais minúsculas de uma amostra. As imagens individuais poderiam então ser montadas em um computador para entregar uma imagem extremamente detalhada," disse Professor Shih. Ele também percebe nano-pixels como potenciais minúsculos sensores que poderiam detectar sinais de células nervosas individuais.

Estas dimensões minúsculas também abrem possibilidades para pesquisa e tecnologia que eram anteriormente inteiramente fora de alcance. Segundo Marcato: "Quando duas ondas de luz da mesma cor convergem mais perto que metade de seu comprimento de onda — o chamado limite de difração — elas não mais oscilam independentemente uma da outra mas começam a interagir." No caso de luz visível, este limite está entre cerca de 200 e 400 nanômetros, dependendo da cor — os nano-OLEDs desenvolvidos pelos pesquisadores da ETH podem ser posicionados tão próximos.

Conduzindo experimentos iniciais, a equipe de Shih foi capaz de usar tais interações para manipular a direção da luz emitida de forma direcionada. Em vez de emitir luz em todas as direções acima do chip, os OLEDs então emitem luz apenas em ângulos muito específicos. "No futuro, será possível agrupar a luz de uma matriz nano-OLED em uma direção e aproveitá-la para construir mini-lasers poderosos," espera Marcato.

Luz polarizada — luz que oscila em apenas um plano — também pode ser gerada por meio de interações, como os pesquisadores já demonstraram. Hoje, isso está em uso na medicina, por exemplo, para distinguir tecido saudável de canceroso.

Tecnologias modernas de rádio e radar nos dão uma ideia do potencial destas interações. Elas usam comprimentos de onda variando de milímetros a quilômetros e já exploram estas interações há algum tempo. Arranjos de phased array permitem antenas ou sinais de transmissor serem precisamente alinhados e focalizados. No espectro óptico, tais tecnologias poderiam, entre outras coisas, ajudar a acelerar ainda mais a transmissão de informação em redes de dados e computadores.

O princípio básico de ondas interagindo pode ser aptamente ilustrado jogando duas pedras lado a lado em um lago espelho-liso. Onde as ondas circulares se encontram, um padrão geométrico de cristas e vales de onda é criado. De maneira similar, nano-OLEDs inteligentemente arranjados podem produzir efeitos de onda óptica nos quais a luz de pixels vizinhos mutuamente reforça ou cancela um ao outro.

Na manufatura de OLEDs até hoje, as moléculas emissoras de luz foram subsequentemente vapor-depositadas em chips de silício. Isso é alcançado usando máscaras de metal relativamente espessas, que produzem pixels correspondentemente maiores. Mas como Oh explicou, o impulso para miniaturização agora está sendo habilitado por um material cerâmico especial: "Nitreto de silício pode formar membranas muito finas yet resilientes que não cedem em superfícies medindo apenas alguns milímetros quadrados."

Consequentemente, os pesquisadores foram capazes de produzir templates para posicionar os pixels nano-OLED que são cerca de 3.000 vezes mais finos. "Nosso método também tem a vantagem de que pode ser integrado diretamente em processos de litografia padrão usados para produção de chips de computador," disse Oh.

Os novos diodos emissores de luz nano foram desenvolvidos no contexto de um Consolidator Grant concedido a Shih em 2024 pela Swiss National Science Foundation (SNSF). Os pesquisadores estão atualmente trabalhando em otimizar seu método. Além da maior miniaturização dos pixels, o foco também está no controle deles.

"Nosso objetivo é conectar os OLEDs de forma que possamos controlá-los individualmente," disse Shih. "Isso é necessário para alavancar todo o potencial das interações entre os pixels de luz. Entre outras coisas, nano-pixels precisamente controláveis poderiam abrir a porta para novas aplicações de óptica phased array, que podem direcionar e focalizar ondas de luz eletronicamente."

Nos anos 1990, postulou-se que óptica phased array permitiria projeções holográficas de telas bidimensionais. Mas Shih já está pensando um passo à frente: no futuro, grupos de OLEDs interagindo poderiam ser agrupados em meta-pixels e posicionados precisamente no espaço. "Isso permitiria realizar imagens 3D ao redor dos espectadores," disse o químico, com um olhar para o futuro.

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