Produzido o díodo emissor de luz mais pequeno do mundo
O novo diafragma de cerâmica permite uma densidade de píxeis 2500× superior
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Os investigadores da ETH Zurich estão a produzir díodos orgânicos emissores de luz (OLED) à nanoescala - são cerca de cem vezes mais pequenos do que uma célula humana. Isto não só torna possíveis ecrãs e microscópios ultra-nítidos. Os pixéis são tão pequenos que são concebíveis novos tipos de aplicações de ótica ondulatória.
A miniaturização é a força motriz da indústria dos semicondutores. O enorme aumento do desempenho dos computadores desde os anos 50 deve-se em grande parte ao facto de ser possível fabricar estruturas cada vez mais pequenas em chips de silício. Os engenheiros químicos da ETH Zurich conseguiram agora reduzir em ordens de grandeza o tamanho dos díodos orgânicos emissores de luz (OLED), que são atualmente utilizados sobretudo em telemóveis e ecrãs de televisão de alta qualidade. O seu estudo foi recentemente publicado na revista especializada Nature Photonics.
Miniaturizado num só passo
Os díodos emissores de luz são pastilhas electrónicas feitas de materiais semicondutores que convertem a corrente eléctrica em luz. "O diâmetro dos pixéis OLED mais pequenos que desenvolvemos até agora é da ordem dos 100 nanómetros. Isto torna-os cerca de 50 vezes mais pequenos do que o atual estado da arte", explica Jiwoo Oh, um estudante de doutoramento do grupo de investigação de Engenharia de Nanomateriais do Professor Chih-Jen Shih do ETH.
Oh desenvolveu o processo de fabrico dos novos nano-OLEDs em conjunto com Tommaso Marcato. "A densidade máxima dos píxeis é cerca de 2500 vezes superior à anterior num único passo", acrescenta Marcato, que é pós-doutorado no grupo de Shih.
Para comparação: até à década de 2000, o ritmo de miniaturização dos processadores informáticos seguia a Lei de Moore, segundo a qual a densidade dos elementos electrónicos duplicava de dois em dois anos.
Ecrãs, microscópios e sensores
Os píxeis com dimensões entre 100 e 200 nanómetros constituem a base de ecrãs de altíssima resolução que poderão apresentar imagens nítidas, por exemplo, em óculos próximos do olho. Para ilustrar este facto, os investigadores que trabalham com Shih desenharam o logótipo da ETH Zurich. Este logótipo da ETH é composto por 2800 nano-OLEDs e tem um tamanho semelhante ao de uma célula humana. Cada um dos seus pixéis mede cerca de 200 nanómetros (0,2 micrómetros). Até à data, os pixéis mais pequenos dos investigadores do ETH têm cerca de 100 nanómetros.
No entanto, as minúsculas fontes de luz poderão também ajudar a focar na gama dos sub-micrómetros utilizando microscópios de alta resolução. "Um campo de nanopixéis como fonte de luz poderia iluminar as zonas mais pequenas de uma amostra - as imagens individuais poderiam depois ser reunidas no computador para formar uma imagem extremamente pormenorizada", explica o professor de química técnica. O professor também vê o potencial dos nanopixéis como sensores minúsculos que poderiam detetar sinais de células nervosas individuais, por exemplo.
Os nano-pixéis geram efeitos de ondas ópticas
No entanto, as pequenas dimensões também abrem possibilidades de investigação e tecnologia que anteriormente não eram sequer viáveis, como sublinha Marcato: "Quando duas ondas de luz da mesma cor se aproximam mais de metade do seu comprimento de onda - o chamado limite de difração - já não oscilam independentemente uma da outra, mas começam a interagir entre si." Para a luz visível, este limite situa-se entre cerca de 200 e 400 nanómetros, dependendo da cor - e os nano-OLEDs dos investigadores do ETH também podem ser colocados tão perto uns dos outros.
O princípio básico da interação das ondas pode ser visualizado atirando duas pedras, uma ao lado da outra, para um lago espelhado. Isto cria um padrão geométrico de cristas e depressões onde as ondas circulares da água se encontram. De forma semelhante, os nano-OLEDs inteligentemente dispostos podem criar efeitos de ondas ópticas em que a luz de pixéis vizinhos se amplifica ou anula mutuamente.
Manipulação da direção e polarização da luz
Nas primeiras experiências, a equipa de Shih conseguiu manipular a direção da luz emitida com a ajuda destas interações. Em vez de emitirem luz em todas as direcções sobre o chip, os OLED emitem a sua luz apenas em ângulos muito específicos. "No futuro, também será possível focar a luz de uma matriz nano-OLED numa única direção e, assim, construir mini lasers potentes", espera Marcato.
A luz polarizada - ou seja, a luz que oscila apenas num plano - também pode ser gerada através de interações, como os investigadores já demonstraram. Esta luz é utilizada atualmente na medicina, por exemplo, para distinguir tecidos saudáveis de tecidos cancerosos.
As modernas tecnologias de rádio e radar dão uma ideia do potencial destas interações. Utilizam comprimentos de onda que variam entre os milímetros e os quilómetros e já há algum tempo que utilizam interações. Os chamados arranjos em fase permitem que as antenas ou os sinais do transmissor sejam especificamente alinhados e focados.
No espetro ótico, estas tecnologias poderão contribuir para acelerar ainda mais a transmissão de informações em redes de dados e computadores.
A membrana cerâmica faz a diferença
No fabrico de OLEDs, as moléculas emissoras de luz têm sido, até agora, depositadas em vapor sobre as pastilhas de silício. Para tal, são utilizadas máscaras metálicas relativamente espessas, que produzem pixéis correspondentemente maiores.
Um material cerâmico especial está agora a dar um impulso em termos de miniaturização, como explica Oh: "O nitreto de silício pode formar membranas muito finas, mas resistentes, que não cedem em superfícies na ordem dos milímetros quadrados".
Isto permitiu aos investigadores produzir modelos que são cerca de 3000 vezes mais finos para a colocação dos píxeis nano-OLED. "O nosso método tem também a vantagem de poder ser diretamente integrado nos processos de litografia normais para a produção de chips de computador", sublinha Oh.
Uma porta para novas tecnologias
Os novos diodos nano-emissores de luz foram desenvolvidos como parte de uma bolsa de consolidação que Shih recebeu da Fundação Nacional de Ciências da Suíça (SNSF) em 2024. Os investigadores estão atualmente a otimizar o seu método. Para além de miniaturizar ainda mais os pixéis, o objetivo é também controlá-los.
"O nosso objetivo é interligar os OLEDs de forma a podermos controlá-los individualmente", explica Shih. Isto é necessário para utilizar todo o potencial das interações entre os píxeis de luz. Entre outras coisas, os nano-pixéis especificamente controláveis poderão abrir a porta a novas aplicações da ótica de matriz faseada, que pode ser utilizada para dirigir e focar eletronicamente as ondas de luz.
Na década de 1990, postulou-se que a ótica de matriz faseada permitiria projecções holográficas a partir de ecrãs bidimensionais. Shih já está a pensar um passo à frente: grupos de OLEDs que interagem entre si poderão um dia ser agrupados em meta-pixéis e posicionados com precisão no espaço. "Desta forma, poderiam ser criadas imagens 3D à volta do observador, por exemplo", diz o químico, olhando para o futuro.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Alemão pode ser encontrado aqui.
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