Mniejszy niż ziarenko piasku: fizycy tworzą najmniejszy na świecie piksel świetlny

Zespół fizyków przesunął granice wielkości piksela wyświetlacza, ujawniając nowe podejście, które może zmienić przyszłość optyki noszonej.

Fizycy z Uniwersytetu Juliusza i Maksymiliana w Würzburgu (oryg. Die Julius-Maximilians-Universität Würzburg, skrót: JMU) opracowali najmniejszy na świecie piksel emitujący światło, co stanowi przełom w dziedzinie ultrakompaktowych wyświetlaczy dla inteligentnych okularów i innych urządzeń noszonych. Inteligentne okulary (smart glasses) – czyli okulary, które mogą wyświetlać informacje cyfrowe bezpośrednio w polu widzenia użytkownika, są często postrzegane jako kamień węgielny przyszłej technologii noszonej. Do tej pory postęp był jednak ograniczony przez nieporęczne komponenty i ograniczenia optyczne, które uniemożliwiają efektywną emisję światła, gdy piksele są redukowane do skali pojedynczej długości fali.

Naukowcy z Uniwersytetu w Würzburgu (JMU) osiągnęli teraz znaczący przełom w tworzeniu jasnych, ultramałych wyświetlaczy. Wykorzystując anteny optyczne, opracowali najmniejszy piksel emitujący światło, jaki kiedykolwiek powstał. Praca, kierowana przez profesorów Jensa Pflauma i Berta Hechta, została szczegółowo opisana w czasopiśmie Science Advances.

Wyświetlacz mierzący milimetr kwadratowy

„Dzięki metalicznemu stykowi, który umożliwia wprowadzenie prądu do organicznej diody elektroluminescencyjnej (LED) przy jednoczesnym wzmocnieniu i emisji generowanego światła, stworzyliśmy piksel dla światła pomarańczowego na powierzchni zaledwie 300 na 300 nanometrów. Ten piksel jest równie jasny, jak konwencjonalny piksel OLED o standardowych wymiarach 5 na 5 mikrometrów” – powiedział Bert Hecht, opisując kluczowe odkrycie badania. Dla porównania, nanometr to jedna milionowa milimetra.

Oznacza to, że wyświetlacz lub projektor o rozdzielczości 1920 x 1080 pikseli z łatwością zmieściłby się na powierzchni zaledwie jednego milimetra kwadratowego (1 mm²). Mogłoby to pomóc na przykład zintegrować wyświetlacz z zausznikami okularów, skąd generowane światło byłoby rzutowane na soczewki.

OLED składa się z kilku ultracienkich warstw organicznych osadzonych pomiędzy dwiema elektrodami. Gdy prąd przepływa przez ten stos, elektrony i dziury rekombinują i elektrycznie pobudzają cząsteczki organiczne w warstwie aktywnej, które następnie uwalniają tę energię w postaci kwantów światła. Ponieważ każdy piksel świeci samodzielnie, podświetlenie nie jest konieczne, co pozwala na uzyskanie wyjątkowo głębokiej czerni, żywych kolorów i efektywnego zarządzania energią w urządzeniach przenośnych z dziedziny rzeczywistości rozszerzonej i wirtualnej (AR i VR).

Prosta miniaturyzacja nie działa

Kluczowym problemem, z którym borykali się naukowcy z Würzburga, dążąc do dalszej miniaturyzacji pikseli, był nierównomierny rozkład prądów w tych małych wymiarach: „Podobnie jak w przypadku piorunochronu, samo zmniejszenie rozmiaru ugruntowanej koncepcji OLED powodowałoby emisję prądów głównie z narożników anteny” – mówi Jens Pflaum, opisując podłoże fizyczne. Ta antena, wykonana ze złota, miałaby kształt prostopadłościanu o długości krawędzi 300 x 300 x 50 nanometrów.

„Powstałe pola elektryczne generowałyby tak duże siły, że poruszające się atomy złota stopniowo wrastałyby w optycznie czynny materiał” – kontynuuje Pflaum. Te ultracienkie struktury, zwane również „filamentami” (oryg. filaments), rosłyby dalej, aż piksel zostałby zniszczony przez zwarcie.

Kolejny krok: Zwiększanie wydajności

Struktura opracowana w Würzburgu zawiera nowo wprowadzoną, specjalnie wyprodukowaną warstwę izolacyjną na wierzchu anteny optycznej, która pozostawia jedynie okrągły otwór o średnicy 200 nanometrów w środku anteny. Taki układ blokuje prądy, które byłyby wstrzykiwane z krawędzi i narożników – umożliwiając w ten sposób niezawodną i długotrwałą pracę nanodiody elektroluminescencyjnej. W tych warunkach nie mogą już tworzyć się filamenty. „Nawet pierwsze nanopiksele były stabilne przez dwa tygodnie w warunkach otoczenia” – mówi Bert Hecht, opisując wynik.

W kolejnych krokach fizycy chcą jeszcze bardziej zwiększyć wydajność z obecnego poziomu jednego procenta i rozszerzyć gamę kolorów do zakresu RGB. Wtedy praktycznie nic nie stanie na przeszkodzie powstaniu nowej generacji miniaturowych wyświetlaczy „made in Würzburg”. Dzięki tej technologii wyświetlacze i projektory mogą w przyszłości stać się tak małe, że będzie można je niemal niewidocznie zintegrować z urządzeniami noszonymi na ciele – od oprawek okularów po soczewki kontaktowe.

źródło: „Indywidualnie adresowalne nanodiody OLED” (oryg. „Individually addressable nanoscale OLEDs”) autorstwa Chenga Zhanga, Björna Ewalda, Leo Siebigsa, Luki Steinbrechera, Maximiliana Rödela, Thomasa Fleischmanna, Moniki Emmerling, Jensa Pflauma i Berta Hechta, 22 października 2025 roki, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.adz8579

źródło: Uniwersytetu w Würzburgu | Live Science
zdjęcie wykorzystane we wpisie z Depositphotos