Criando os menores LEDs do mundo:a inovação em Nano-LED da ETH Zurich

Eletrônicos e Sensores INSIDER
Uma matriz de pixels de nano diodos emissores de luz orgânicos exibe o logotipo da ETH com uma resolução de 50.000 pixels por polegada. (Imagem:Jiwoo Oh/ETH Zurique; Nature Photonics)
A miniaturização é a força motriz da indústria de semicondutores. Os enormes ganhos no desempenho dos computadores desde a década de 1950 devem-se em grande parte ao fato de que estruturas cada vez menores podem ser fabricadas em chips de silício. Os engenheiros químicos da ETH Zurique conseguiram agora reduzir o tamanho dos díodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) – que são atualmente utilizados principalmente em telemóveis premium e ecrãs de TV – em várias ordens de grandeza. O estudo deles foi publicado recentemente na revista 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 do que o estado da arte atual", disse Jiwoo Oh, estudante de doutorado ativo no grupo de pesquisa em engenharia de nanomateriais liderado pelo professor da ETH Chih-Jen Shih.

Oh desenvolveu o processo de fabricação dos novos nano-OLEDs em conjunto com Tommaso Marcato. “Em apenas uma única etapa, a densidade máxima de pixels é agora cerca de 2.500 vezes maior do que antes”, disse Marcato, que atua como pós-doutorado no grupo de Shih.

A título de comparação:até a década de 2000, o ritmo de miniaturização dos processadores de computadores seguiu a Lei de Moore, segundo a qual a densidade dos elementos eletrônicos dobrava a cada dois anos.

Pixels que variam em tamanho de 100 a 200 nanômetros formam a base para telas de resolução ultra-alta que podem exibir imagens nítidas em óculos usados perto dos olhos, por exemplo. Para ilustrar isso, a equipe de pesquisadores de Shih exibiu o logotipo da ETH Zurique. O logotipo consiste em 2.800 nano-OLEDs, semelhantes em tamanho a uma célula humana, com cada um de seus pixels medindo cerca de 200 nanômetros. Os menores pixels desenvolvidos até agora pelos pesquisadores da ETH Zurique atingem a faixa de 100 nanômetros.

Além disso, essas pequenas fontes de luz também poderiam ajudar a focar na faixa submicrométrica por meio de microscópios de alta resolução. "Uma matriz 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 fornecer uma imagem extremamente detalhada", disse o professor Shih. Ele também vê os nanopixels como potenciais pequenos sensores que podem detectar sinais de células nervosas individuais.

Estas dimensões diminutas também abrem possibilidades de investigação e tecnologia que antes estavam totalmente fora de alcance. Segundo Marcato:“Quando duas ondas de luz da mesma cor convergem para menos da metade de seu comprimento de onda – o chamado limite de difração – elas não oscilam mais independentemente uma da outra, mas começam a interagir entre si”. No caso da luz visível, esse limite fica entre cerca de 200 e 400 nanômetros, dependendo da cor — os nano-OLEDs desenvolvidos pelos pesquisadores da ETH podem ser posicionados tão próximos uns dos outros.

Conduzindo experimentos iniciais, a equipe de Shih conseguiu usar essas interações para manipular a direção da luz emitida de maneira direcionada. Em vez de emitir luz em todas as direções acima do chip, os OLEDs 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 minilasers poderosos”, espera Marcato.

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

As modernas tecnologias de rádio e radar dão-nos uma ideia do potencial destas interações. Eles usam comprimentos de onda que variam de milímetros a quilômetros e já exploram essas interações há algum tempo. Os chamados arranjos phased array permitem que antenas ou sinais de transmissor sejam alinhados e focados com precisão. No espectro óptico, tais tecnologias poderiam, entre outras coisas, ajudar a acelerar ainda mais a transmissão de informações em redes de dados e computadores.

O princípio básico da interação das ondas pode ser ilustrado apropriadamente jogando duas pedras próximas uma da outra em um lago liso como um espelho. Onde as ondas circulares da água se encontram, um padrão geométrico de cristas e vales das ondas é criado. De maneira semelhante, nano-OLEDs dispostos de forma inteligente podem produzir efeitos de ondas ópticas nos quais a luz dos pixels vizinhos se reforça ou se cancela mutuamente.

Até o momento, na fabricação de OLEDs, as moléculas emissoras de luz foram posteriormente depositadas por vapor em chips de silício. Isto é conseguido usando máscaras de metal relativamente espessas, que produzem pixels correspondentemente maiores. Mas, como explicou Oh, o impulso para a miniaturização está agora a ser possibilitado por um material cerâmico especial:"O nitreto de silício pode formar membranas muito finas, mas resilientes, que não cedem em superfícies que medem apenas alguns milímetros quadrados."

Consequentemente, os pesquisadores conseguiram produzir modelos para colocar os pixels nano-OLED que são cerca de 3.000 vezes mais finos. "Nosso método também tem a vantagem de poder ser integrado diretamente em processos de litografia padrão usados ​​para a produção de chips de computador", disse Oh.

Os novos nanodiodos emissores de luz foram desenvolvidos no contexto de um Consolidator Grant concedido a Shih em 2024 pela Swiss National Science Foundation (SNSF). Os pesquisadores estão atualmente trabalhando na otimização de seu método. Além da maior miniaturização dos pixels, o foco também está em controlá-los.

“Nosso objetivo é conectar os OLEDs de forma que possamos controlá-los individualmente”, disse Shih. Isto é necessário para aproveitar todo o potencial das interações entre os pixels de luz. Entre outras coisas, nanopixels controláveis ​​com precisão poderiam abrir a porta para novas aplicações de óptica phased array, que pode orientar e focar eletronicamente as ondas de luz.

Na década de 1990, foi postulado que a óptica phased array permitiria projeções holográficas a partir de telas bidimensionais. Mas Shih já está pensando um passo à frente:no futuro, grupos de OLEDs interativos poderão ser agrupados em metapixels e posicionados com precisão no espaço. “Isso permitiria a realização de imagens 3D em torno dos espectadores”, disse o químico, com um olhar para o futuro.

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