Prodotto il diodo a emissione luminosa più piccolo del mondo
Il nuovo diaframma in ceramica consente una densità di pixel 2500× superiore
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I ricercatori del Politecnico di Zurigo stanno producendo diodi organici a emissione di luce (OLED) su scala nanometrica - sono circa cento volte più piccoli di una cellula umana. Questo non solo rende possibili schermi e microscopi ultra nitidi. I pixel sono così piccoli da rendere possibili nuovi tipi di applicazioni di ottica ondulatoria.
La miniaturizzazione è la forza trainante dell'industria dei semiconduttori. L'enorme aumento delle prestazioni dei computer a partire dagli anni '50 è in gran parte dovuto al fatto che è possibile produrre strutture sempre più piccole su chip di silicio. Gli ingegneri chimici del Politecnico di Zurigo sono ora riusciti a ridurre di ordini di grandezza le dimensioni dei diodi organici a emissione di luce (OLED), utilizzati principalmente nei telefoni cellulari e negli schermi televisivi di alta qualità. Il loro studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista specializzata Nature Photonics.
Miniaturizzati in un solo passaggio
I diodi a emissione luminosa sono chip elettronici composti da materiali semiconduttori che convertono la corrente elettrica in luce. "Il diametro dei pixel OLED più piccoli che abbiamo sviluppato finora è dell'ordine di 100 nanometri. Questo li rende circa 50 volte più piccoli dell'attuale stato dell'arte", spiega Jiwoo Oh, dottorando del gruppo di ricerca in Ingegneria dei nanomateriali del professor Chih-Jen Shih dell'ETH.
Oh ha sviluppato il processo di produzione dei nuovi nano-OLED insieme a Tommaso Marcato. "La densità massima dei pixel è circa 2500 volte superiore a quella precedente in un solo passaggio", aggiunge Marcato, che è postdoc nel gruppo di Shih.
Per fare un paragone: fino agli anni 2000, il tasso di miniaturizzazione dei processori per computer seguiva la Legge di Moore, secondo la quale la densità degli elementi elettronici raddoppiava ogni due anni.
Schermi, microscopi e sensori
I pixel di dimensioni comprese tra i 100 e i 200 nanometri costituiscono la base per schermi ad altissima risoluzione che potrebbero visualizzare immagini nitidissime, ad esempio in occhiali vicini agli occhi. Per illustrare questo concetto, i ricercatori che lavorano con Shih hanno raffigurato il logo del Politecnico di Zurigo. Questo logo dell'ETH è composto da 2.800 nano-OLED e ha dimensioni simili a quelle di una cellula umana. Ogni pixel misura circa 200 nanometri (0,2 micrometri). I pixel più piccoli finora realizzati dai ricercatori dell'ETH sono dell'ordine di 100 nanometri.
Tuttavia, le minuscole sorgenti luminose potrebbero anche aiutare a mettere a fuoco nel campo dei sub-micrometri utilizzando microscopi ad alta risoluzione. "Un campo di nanopixel come sorgente luminosa potrebbe illuminare le aree più piccole di un campione - le singole immagini potrebbero poi essere messe insieme nel computer per formare un'immagine estremamente dettagliata", spiega il professore di chimica tecnica. Egli vede anche il potenziale dei nanopixel come minuscoli sensori che potrebbero rilevare i segnali di singole cellule nervose, per esempio.
I nanopixel generano effetti di onde ottiche
Tuttavia, le dimensioni ridotte aprono anche possibilità per la ricerca e la tecnologia che in precedenza non erano nemmeno realizzabili, come sottolinea Marcato: "Quando due onde luminose dello stesso colore si avvicinano più della metà della loro lunghezza d'onda - il cosiddetto limite di diffrazione - non oscillano più indipendentemente l'una dall'altra, ma iniziano a interagire tra loro". Per la luce visibile, questo limite è compreso tra circa 200 e 400 nanometri, a seconda del colore, e i nano-OLED dei ricercatori dell'ETH possono essere posizionati anche a questa distanza.
Il principio di base delle onde interagenti può essere visualizzato gettando due sassi uno accanto all'altro in un lago liscio come uno specchio. In questo modo si crea un modello geometrico di creste e avvallamenti dove le onde circolari dell'acqua si incontrano. In modo simile, i nano-OLED sapientemente disposti possono creare effetti di onde ottiche in cui la luce proveniente da pixel vicini si amplifica o si annulla a vicenda.
Manipolazione della direzione e della polarizzazione della luce
Nei primi esperimenti, il team di Shih è riuscito a manipolare la direzione della luce emessa con l'aiuto di queste interazioni. Invece di emettere luce in tutte le direzioni sopra il chip, gli OLED emettono luce solo ad angoli molto specifici. "In futuro sarà possibile focalizzare la luce di una matrice di nano-OLED in un'unica direzione e costruire così potenti mini-laser", prevede Marcato.
Anche la luce polarizzata - cioè quella che oscilla solo su un piano - può essere generata grazie alle interazioni, come hanno già dimostrato i ricercatori. Oggi viene utilizzata in medicina, ad esempio per distinguere i tessuti sani da quelli cancerosi.
Le moderne tecnologie radio e radar danno un'idea del potenziale di queste interazioni. Utilizzano lunghezze d'onda che vanno dal millimetro al chilometro e sfruttano le interazioni da tempo. Le cosiddette disposizioni phased array consentono di allineare e focalizzare in modo specifico le antenne o i segnali dei trasmettitori.
Nello spettro ottico, queste tecnologie potrebbero contribuire ad accelerare ulteriormente la trasmissione di informazioni nelle reti di dati e nei computer.
La membrana ceramica fa la differenza
Nella produzione degli OLED, le molecole che emettono luce sono state finora depositate a vapore sui chip di silicio. A tal fine si utilizzano maschere metalliche relativamente spesse, che producono pixel di dimensioni corrispondenti.
Ora è uno speciale materiale ceramico a dare una spinta in termini di miniaturizzazione, come spiega Oh: "Il nitruro di silicio può formare membrane molto sottili ma resilienti, che non si abbassano su superfici dell'ordine del millimetro quadrato".
Questo ha permesso ai ricercatori di produrre modelli circa 3000 volte più sottili per il posizionamento dei pixel nano-OLED. "Il nostro metodo ha anche il vantaggio di poter essere integrato direttamente nei processi litografici standard per la produzione di chip per computer", sottolinea Oh.
Una porta verso nuove tecnologie
I nuovi nano-diodi a emissione luminosa sono stati sviluppati nell'ambito di una sovvenzione di consolidamento che Shih ha ricevuto dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica (FNS) nel 2024. I ricercatori stanno attualmente ottimizzando il loro metodo. Oltre a miniaturizzare ulteriormente i pixel, l'attenzione è rivolta anche al loro controllo.
"Il nostro obiettivo è interconnettere gli OLED in modo da poterli controllare singolarmente", spiega Shih. Ciò è necessario per sfruttare appieno il potenziale delle interazioni tra i pixel luminosi. Tra l'altro, i nano-pixel controllabili in modo specifico potrebbero aprire le porte a nuove applicazioni dell'ottica phased array, che può essere utilizzata per dirigere e focalizzare elettronicamente le onde luminose.
Negli anni Novanta si ipotizzò che l'ottica phased array avrebbe consentito proiezioni olografiche da schermi bidimensionali. Shih sta già pensando a un passo avanti: gruppi di OLED interagenti potrebbero un giorno essere raggruppati in meta-pixel e posizionati con precisione nello spazio. "In questo modo si potrebbero realizzare immagini 3D intorno allo spettatore, ad esempio", afferma il chimico, guardando al futuro.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
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