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

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.

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.

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.

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