La plus petite diode électroluminescente du monde est fabriquée
Une nouvelle membrane céramique permet une densité de pixels 2500× plus élevée
Des chercheurs de l'ETH Zurich fabriquent des diodes électroluminescentes organiques (OLED) à l'échelle nanométrique - elles sont environ cent fois plus petites qu'une cellule humaine. Cela permet non seulement d'obtenir des écrans et des microscopes ultrafins. Les pixels sont si petits que de nouvelles applications d'optique ondulatoire deviennent envisageables.
La miniaturisation est le moteur de l'industrie des semi-conducteurs. L'énorme augmentation des performances des ordinateurs depuis les années 1950 repose en grande partie sur le fait que des structures de plus en plus petites peuvent être fabriquées sur les puces de silicium. Des ingénieurs chimistes de l'ETH Zurich ont réussi à réduire de plusieurs ordres de grandeur la taille des diodes électroluminescentes organiques (OLED) utilisées aujourd'hui principalement dans les téléphones portables haut de gamme et les écrans de télévision. Leur étude a récemment été publiée dans la revue spécialisée externe Nature Photonics.
Miniaturisation en une seule étape
Les diodes électroluminescentes sont des puces électroniques en matériaux semi-conducteurs qui transforment le courant électrique en lumière. "Le diamètre des plus petits pixels OLED que nous avons développés jusqu'à présent atteint la plage de 100 nanomètres. Ils sont donc environ 50 fois plus petits que l'état actuel de la technique", explique Jiwoo Oh, doctorante dans le groupe de recherche en ingénierie des nanomatériaux du professeur Chih-Jen Shih de l'ETH.
Oh a développé le procédé de fabrication des nouvelles nano-OLED en collaboration avec Tommaso Marcato. "La densité maximale des pixels est ainsi, en une seule étape, environ 2500 fois plus grande qu'auparavant", ajoute Marcato, qui travaille comme postdoctorant dans le groupe de Shih.
A titre de comparaison, le rythme de miniaturisation des processeurs informatiques a suivi jusque dans les années 2000 la loi dite de Moore, selon laquelle la densité des éléments électroniques doublait tous les deux ans.
Écrans, microscopes et capteurs
Les pixels d'une taille de 100 à 200 nanomètres constituent d'une part la base des écrans à ultra-haute résolution, qui pourraient par exemple être utilisés dans des lunettes proches de l'œil pour afficher des images d'une grande netteté. Pour illustrer cela, l'équipe de recherche de Shih a représenté le logo de l'ETH Zurich. Ce logo de l'ETH se compose de 2800 nano-OLED et a la taille d'une cellule humaine. Chacun de ses pixels mesure environ 200 nanomètres (0,2 micromètre). Les plus petits pixels utilisés jusqu'à présent par les chercheurs de l'ETH atteignent la plage de 100 nanomètres.
Mais ces minuscules émetteurs de lumière pourraient aussi aider à se focaliser dans le domaine submicrométrique au moyen de microscopes à haute résolution. "Un champ de nanopixels comme source de lumière pourrait éclairer les plus petites zones d'un échantillon - les images individuelles pourraient ensuite être assemblées par ordinateur en une image extrêmement détaillée", explique le professeur de chimie technique. Il voit également les nanopixels comme de minuscules capteurs qui pourraient détecter des signaux de cellules nerveuses individuelles.
Les nano pixels produisent des effets d'ondes optiques
Les petites dimensions ouvrent également à la recherche et à la technique des possibilités qui n'étaient pas encore réalisables jusqu'à présent, comme le souligne Marcato : "Lorsque deux ondes lumineuses de même couleur se rapprochent de plus de la moitié de leur longueur d'onde - ce que l'on appelle la limite de diffraction - elles n'oscillent plus indépendamment l'une de l'autre, mais commencent à interagir entre elles". Pour la lumière visible, cette limite se situe, en fonction de la couleur, entre 200 et 400 nanomètres environ - et les nano-OLED des chercheurs de l'ETH peuvent être placées aussi près les unes des autres.
Le principe de base des ondes interactives peut être illustré en jetant deux pierres l'une à côté de l'autre dans un lac lisse comme un miroir. Un motif géométrique de crêtes et de creux se forme alors à l'endroit où les ondes circulaires de l'eau se rencontrent. De la même manière, des nano-OLED habilement disposées peuvent créer des effets d'ondes optiques dans lesquels la lumière des pixels voisins s'amplifie ou s'annule mutuellement.
Manipuler la direction de la lumière et la polarisation
Lors de ses premières expériences, l'équipe de Shih a pu manipuler de manière ciblée la direction de la lumière émise à l'aide de telles interactions. Au lieu de rayonner dans toutes les directions au-dessus de la puce, les OLED n'émettent alors leur lumière que sous des angles bien précis. "À l'avenir, il sera également possible de concentrer la lumière d'une matrice OLED nanométrique dans une seule direction et de construire ainsi des mini-lasers puissants", prévoit Marcato.
Comme les chercheurs l'ont déjà montré, il est également possible de produire de la lumière polarisée - c'est-à-dire de la lumière qui n'oscille que dans un seul plan - au moyen d'interactions. Ce type de lumière est aujourd'hui utilisé en médecine, par exemple, pour distinguer les tissus sains des tissus cancéreux.
Les techniques modernes de radio et de radar donnent une idée du potentiel des interactions. Elles utilisent des longueurs d'onde allant du millimètre au kilomètre et exploitent les interactions depuis longtemps déjà. Les réseaux dits à commande de phase permettent d'orienter et de focaliser les antennes ou les signaux d'émission de manière ciblée.
Dans le spectre optique, de telles technologies pourraient notamment contribuer à accélérer la transmission d'informations dans les réseaux de données et les ordinateurs.
Une membrane en céramique fait la différence
Lors de la fabrication des OLED, les molécules émettrices de lumière sont jusqu'à présent déposées ultérieurement sur les puces de silicium. Cela se fait avec des masques métalliques relativement épais qui génèrent des pixels plus grands.
L'impulsion en matière de miniaturisation est désormais rendue possible par un matériau céramique spécial, comme l'explique Oh : "Le nitrure de silicium peut former des membranes très fines et néanmoins résistantes, qui ne s'affaissent pas sur des surfaces de l'ordre du millimètre carré".
Les chercheurs ont ainsi pu fabriquer des gabarits environ 3000 fois plus fins pour le placement des nanopixels OLED. "Notre méthode a en outre l'avantage de pouvoir être intégrée directement dans les procédés de lithographie standard pour la production de puces informatiques", souligne Oh.
Une porte vers de nouvelles technologies
Les nouvelles nano-diodes électroluminescentes ont été créées dans le cadre d'un Consolidator Grant que Shih a obtenu en 2024 du Fonds national suisse (FNS). Actuellement, les chercheurs s'emploient à optimiser leur méthode. Outre la poursuite de la miniaturisation des pixels, ils se concentrent également sur leur contrôle.
"Notre objectif est de connecter les OLED de manière à pouvoir les contrôler individuellement", explique Shih. Cela est nécessaire pour exploiter tout le potentiel des interactions entre les pixels lumineux. Des nanopixels contrôlables de manière ciblée pourraient notamment ouvrir la porte à de nouvelles applications de l'optique à réseau de phases, qui permet de diriger et de focaliser électroniquement les ondes lumineuses.
Dans les années 1990, on postulait que l'optique à réseau phasé permettrait des projections holographiques à partir d'écrans bidimensionnels. Shih pense déjà à une étape supplémentaire : des groupes d'OLED interactifs pourraient un jour être regroupés en méta-pixels et placés avec précision dans l'espace. "De cette manière, il serait possible de réaliser des images 3D tout autour des spectateurs", déclare le chimiste en se projetant dans l'avenir.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Autres actualités du département science
Actualités les plus lues
Plus actualités de nos autres portails
Il se trame quelque chose dans l'industrie chimique…
Voilà à quoi ressemble le véritable esprit pionnier : De nombreuses start-ups innovantes apportent des idées fraîches, de la passion et un esprit d'entreprise pour changer positivement le monde de demain. Plongez dans l'univers de ces jeunes entreprises et profitez de la possibilité d'entrer en contact avec leurs fondateurs.
