I minuscoli pixel OLED possono essere prodotti come i microchip
Ciò consente la produzione di minuscoli pixel OLED colorati per schermi, nonché di sorgenti luminose di precisione per la ricerca e la tecnologia medica
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Gli schermi stanno diventando sempre più piccoli e sempre più nitidi. Lo si può notare, ad esempio, negli occhiali a realtà aumentata o nei mirini elettronici delle fotocamere, alcuni dei quali hanno una diagonale dello schermo inferiore a un centimetro.
Tuttavia, più piccoli sono i pixel dello schermo, più difficile è la loro produzione. I diodi organici a emissione di luce (OLED) si rivelano particolarmente promettenti per la realizzazione di pixel di dimensioni molto ridotte. A differenza dei diodi a emissione di luce convenzionali, non sono costituiti da cristalli, ma da composti a base di carbonio. Mentre i diodi a emissione di luce convenzionali diventano più deboli man mano che i cristalli vengono tagliati più piccoli, i materiali organici a emissione di luce possono essere utilizzati per produrre pixel minuscoli ma luminosi.
Finora, i materiali organici a emissione di luce non erano adatti ai metodi di produzione ad alta precisione utilizzati nell’industria dei semiconduttori. La fotolitografia impiegata in questo settore prevede l’uso di solventi e altre sostanze chimiche che attaccano chimicamente e degradano le molecole organiche.
Fotoresist per la litografia
I ricercatori dell’ETH di Zurigo sono ora riusciti a rendere le molecole luminescenti organiche adatte alla fotolitografia: hanno prodotto polimeri luminescenti in vari colori che fungono da fotoresist pur resistendo a condizioni chimiche estreme. I polimeri possono essere applicati a un chip semiconduttore. Le proprietà dei fotoresist si reticolano quando esposti alla luce UV, consentendo la creazione di strutture geometriche su scala fine.
«Abbiamo sviluppato una nuova classe di molecole a catena lunga che possono essere trasformate in pixel OLED tramite esposizione diretta alla luce», afferma Yinyin Bao, che ha condotto la ricerca presso l’ETH di Zurigo ed è ora professore all’Università di Helsinki. Ha guidato la ricerca insieme al professor Chih-Jen Shih dell’ETH. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista *Nature* (pagina esterna).
Guscio protettivo, nucleo luminescente
Per proteggere le sensibili molecole luminescenti da sostanze chimiche aggressive, i ricercatori hanno sviluppato un complesso molecolare basato sul principio «core-shell»: al centro si trova la molecola che emette il colore. Attorno ad essa sono disposti dei bracci a forma di stella, le cui estremità esterne reagiscono alla luce UV. Quando esposte alla luce, queste estremità si legano con i bracci di altre «stelle». Ciò rende il materiale insolubile in quella zona, una proprietà utilizzata nella fotolitografia.
Anche la parte interna dei bracci svolge una funzione importante: mantiene le estremità reattive a distanza dalla molecola luminescente, proteggendola così. Un coautore dello studio dell’Università RMIT di Melbourne ha approfondito questo effetto protettivo utilizzando simulazioni al computer.
«Separiamo spazialmente le due funzioni», spiega il professor Shih dell’ETH. «La molecola luminescente è protetta all’interno, mentre i gruppi reattivi di reticolazione si trovano all’esterno. Ciò consente al fotoresist di reagire durante la litografia senza causare danni significativi al nucleo luminescente».
L’immagine fluorescente multicolore ad altissima risoluzione mai ottenuta finora
I ricercatori hanno dimostrato con quanta precisione sia possibile modellare materiali luminescenti di diversi colori utilizzando questo metodo grazie a un’immagine di prova ad alta risoluzione: hanno prodotto l’immagine di un pappagallo ara delle dimensioni di 300 per 430 micrometri e composta da 250 per 350 pixel. Si tratta di un’immagine statica composta da colori fluorescenti – in altre parole, non è ancora un display. In questa immagine, i pixel non vengono fatti brillare elettricamente, ma sono eccitati da luce esterna, che ne provoca la fluorescenza. L’immagine è l’immagine multicolore composta da colori fluorescenti con la più alta risoluzione mai realizzata finora utilizzando la fotolitografia.
I ricercatori hanno dimostrato che il metodo può essere utilizzato anche per produrre diodi a emissione luminosa alimentati elettricamente, utilizzando un’altra immagine di prova: un logo ETH luminoso che misura 1 per 2,4 millimetri. Questo è stato sviluppato in collaborazione con il gruppo guidato da Hua Wang, professore di elettronica all’ETH di Zurigo.
Il prossimo obiettivo dei ricercatori è ridurre ulteriormente la dimensione dei pixel dei diodi a emissione luminosa. Per realizzare, in ultima analisi, uno schermo funzionante, sono ancora necessari componenti elettronici che consentano di controllare i singoli pixel in modo indipendente l’uno dall’altro.
Shih intravede potenziali applicazioni non solo negli schermi di piccole dimensioni, ma anche in minuscole sorgenti luminose per la tecnologia medica e in dispositivi per la ricerca biologica e neuroscientifica. «Possiamo utilizzarlo per generare luce su piccola scala e con elevata precisione esattamente dove è necessaria», afferma Shih. I minuscoli OLED potrebbero, ad esempio, essere utilizzati in apparecchiature di ricerca per esaminare in modo mirato singole cellule biologiche o per stimolare con la luce le cellule nervose in una capsula di Petri. Grazie a questo nuovo approccio, sarebbe possibile produrre direttamente su microchip sorgenti luminose molto piccole e controllabili con precisione, che potrebbero rivelarsi utili anche nella microscopia e nei sensori.
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