Ученые создали самый маленький в мире пиксель. Почему это не получалось раньше?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Люди хотят, чтобы экраны устройств были четче и ярче. Для этого нужно делать пиксели все меньше. Это особенно актуально для устройств дополненной и виртуальной реальности (AR/VR), где экран расположен близко к глазам, и видимые пиксели сильно портят погружение.

И вот тут проблема. Когда пиксель на основе органического светодиода (OLED) уменьшают до наноразмера, он перестает хорошо работать. Его эффективность снижается, яркость падает, и он быстро ломается. Причина этого кроется в физике электрического поля.

Пиксели, иллюстрация
Пиксели, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3
Проблема острых краев

Обычный 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) — отрицательно заряженные электроны. Они встречаются в среднем, эмиссионном слое, рекомбинируют и испускают свет.

В большом пикселе это работает отлично. Но когда вы сжимаете его до размера, скажем, 300 на 300 нанометров, в игру вступают краевые эффекты. Края наноэлектрода становятся чрезвычайно острыми в масштабе атомов. Любой физик скажет вам, что на острых проводящих гранях электрическое поле концентрируется, создавая зоны экстремально высокой напряженности.

Это ведет к двум негативным следствиям:

  1. Неравномерная подача зарядов. Ток начинает идти в основном через эти точки на краях, а не через всю поверхность пикселя. Из-за этого большая часть энергии становится теплом, а не светом.
  2. Образование металлических нитей. Сильное поле вырывает атомы металла из электрода. Из них растут тонкие нити. Когда нить дорастает до второго электрода, случается короткое замыкание. Пиксель перестает работать.

Долгое время этот барьер мешал делать OLED-дисплеи с очень маленькими пикселями. Но ученые из Вюрцбургского университета предложили метод, который поможет в их создании.

Что, если просто изолировать края?

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

Затем в середине этого покрытия они сделали маленькое отверстие, названное наноапертурой.

Что это изменило? Теперь ток не может течь через проблемные края, потому что они закрыты. Единственный путь для зарядов — через ровную поверхность золота в центре отверстия. В этом месте электрическое поле однородное и управляемое.

Принципиальная конструкция нано-OLED пикселя с индивидуально управляемым наноэлектродом. (A) Схема устройства в разрезе. В качестве нижнего анода используется золотой (Au) электрод, который также работает как плазмонная антенна. Чтобы обойти проблему концентрации поля на краях, их покрывают слоем изолятора, оставляя в центре отверстие (наноапертуру). В этой области электрическое поле однородно. Сверху наносится стандартный набор органических слоев: HIL, HTL, светящийся слой EML и ETL, а затем — верхний металлический катод. (B) Разрез устройства. Подача зарядов (дырок с анода и электронов с катода) происходит только через центральное отверстие. Они встречаются в светящемся слое (EML), где их рекомбинация вызывает свечение. Энергия этого света эффективно излучается благодаря взаимодействию с плазмонными модами золотого электрода. (C) Устройство без наноапертуры. Неконтролируемая подача зарядов через острые края электрода приводит к слабому свечению и способствует росту металлических нитей (филаментов), которые разрушают пиксель (показано на врезке). Цитирование: Cheng Zhang et al. ,Individually addressable nanoscale OLEDs.Sci. Adv.11,eadz8579(2025).DOI:10.1126/sciadv.adz8579
Принципиальная конструкция нано-OLED пикселя с индивидуально управляемым наноэлектродом. (A) Схема устройства в разрезе. В качестве нижнего анода используется золотой (Au) электрод, который также работает как плазмонная антенна. Чтобы обойти проблему концентрации поля на краях, их покрывают слоем изолятора, оставляя в центре отверстие (наноапертуру). В этой области электрическое поле однородно. Сверху наносится стандартный набор органических слоев: HIL, HTL, светящийся слой EML и ETL, а затем — верхний металлический катод. (B) Разрез устройства. Подача зарядов (дырок с анода и электронов с катода) происходит только через центральное отверстие. Они встречаются в светящемся слое (EML), где их рекомбинация вызывает свечение. Энергия этого света эффективно излучается благодаря взаимодействию с плазмонными модами золотого электрода. (C) Устройство без наноапертуры. Неконтролируемая подача зарядов через острые края электрода приводит к слабому свечению и способствует росту металлических нитей (филаментов), которые разрушают пиксель (показано на врезке). Цитирование: Cheng Zhang et al., Individually addressable nanoscale OLEDs.Sci. Adv.11,eadz8579(2025).DOI:10.1126/sciadv.adz8579
Автор: Cheng Zhang et al Источник: www.science.org
От идеи к работающему нанопикселю

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

В итоге, устройство без защитного слоя сломалось через три минуты из-за роста металлических нитей. Устройство с наноапертурой работало стабильно все 30 минут эксперимента. Из 33 сделанных пикселей 30 штук показали почти одинаковые и устойчивые характеристики. Это говорит о том, что технология хорошо воспроизводится.

После этого ученые собрали полноценный нано-OLED с размером пикселя 300 на 300 нанометров.

Новый пиксель показал высокую яркость, сравнимую с коммерческими экранами, и хорошую эффективность. Для такого маленького прототипа это прекрасный показатель. Пиксель также включался и выключался очень быстро, быстрее, чем нужно для видео.

Но оставался еще один момент. Создать свет — это полдела. Как эффективно выпустить его наружу из такой крошечной структуры? И здесь в игру вступает еще один аспект этого исследования.

Сравнение стабильности устройств на основе золотых (Au) антенн: с наноапертурой (синие линии) и без неё (красные линии). (A) Зависимость тока от напряжения для двух устройств. Устройство без наноапертуры (красная линия) показывает хаотичное и непредсказуемое поведение — это результат постоянного образования и разрушения металлических нитей. Устройство с наноапертурой (синяя линия) работает стабильно и предсказуемо. (B) Тест на стабильность при постоянном напряжении (5 В). Устройство без наноапертуры (красный график) ломается всего через 3 минуты. В то же время устройство с наноапертурой (синий график) остается полностью стабильным на протяжении всего 30-минутного эксперимента.
Сравнение стабильности устройств на основе золотых (Au) антенн: с наноапертурой (синие линии) и без неё (красные линии). (A) Зависимость тока от напряжения для двух устройств. Устройство без наноапертуры (красная линия) показывает хаотичное и непредсказуемое поведение — это результат постоянного образования и разрушения металлических нитей. Устройство с наноапертурой (синяя линия) работает стабильно и предсказуемо. (B) Тест на стабильность при постоянном напряжении (5 В). Устройство без наноапертуры (красный график) ломается всего через 3 минуты. В то же время устройство с наноапертурой (синий график) остается полностью стабильным на протяжении всего 30-минутного эксперимента.
Автор: Cheng Zhang et al Источник: www.science.org
Дополнительный компонент: плазмонная антенна

Выбор золота для нижнего электрода был неслучаен. На наноуровне структурированный металл перестает быть просто проводником. Он становится плазмонной наноантенной.

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

Фактически, золотой наноэлектрод выполняет двойную функцию: он служит стабильным контактом и одновременно является антенной, которая направленно и эффективно выводит сгенерированный свет. Это решает проблему низкого светоизвлечения, характерную для наноразмерных источников.

Каковы перспективы?

Эта научная работа показывает действующий способ преодолеть серьезный барьер для создания дисплеев со сверхплотным расположением пикселей. Что, скорее всего, приведет к созданию и коммерческому запуску устойчивых и ярких светодиодов такого размера, который ранее считался непрактичным.

Источник: Science

2 комментария

a
Такие дисплеи будут стоить, как крыло от самолета.
Ruby_Rougarou
Ну конечно, сначала спецоборудование, потом постепенно перетечет и в бытовые устройства, лет через 10-15

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Почему яйца иногда чистятся идеально, а иногда скорлупа отходит вместе с белком?

Наверняка каждый сталкивался с такой ситуацией: варишь яйца, вроде бы всё делаешь одинаково, но результат каждый раз разный. Одни чистятся буквально за несколько секунд, скорлупа отходит...

Термоядерный синтез 70 лет запускали не с того конца: как работает найденный учеными «короткий путь» к энергии будущего

Главная задача управляемого термоядерного синтеза — получить электричество за счет слияния легких атомных ядер, в первую очередь изотопов водорода: дейтерия и трития. Когда два таких...

Почему ровно раз в 60 секунд проседают электросети по всему миру: ученые нашли уязвимость в обычной технике

В начале каждой минуты во всех крупных энергосистемах мира происходит одно и то же событие: частота электрического тока в сети немного падает, а через двадцать-тридцать секунд возвращается в...

Маленький бумбокс с запросами взрослой деки: как устроен японский Sanyo M7770K

Корпус переносной магнитолы Sanyo M7770K 1984 года (в отдельных модификациях — 1985 года) имеет габариты 430 x 120 x 89 мм, хотя в каталогах встречаются размеры 432 x 132 x 102 мм. Сухой...

Почему на реках появляются огромные вращающиеся ледяные круги

Обычно река замерзает от берегов: ледяные полосы постепенно становятся шире, пока между ними не исчезнет открытая вода. Но иногда посреди реки остаётся большая круглая льдина, отделённая от...

Ученые создали робопса под управлением клеток мозга человека: в тестах он обучился в 4 раза быстрее компьютерного ИИ

Современные роботы отлично справляются с физическим движением. Они уверенно ходят по неровной поверхности, бегают, прыгают и удерживают равновесие после толчков. Механическая часть и программы...