Creando los LED más pequeños del mundo:el avance Nano-LED de ETH Zurich

Electrónica y sensores INSIDER

Una matriz de píxeles de nanodiodos orgánicos emisores de luz muestra el logotipo de ETH con una resolución de 50.000 píxeles por pulgada. (Imagen:Jiwoo Oh / ETH Zurich; Fotónica de la naturaleza)

La miniaturización es la fuerza impulsora de la industria de los semiconductores. Los enormes avances en el rendimiento de las computadoras desde la década de 1950 se deben en gran medida al hecho de que se pueden fabricar estructuras cada vez más pequeñas en chips de silicio. Los ingenieros químicos de ETH Zurich han logrado reducir el tamaño de los diodos emisores de luz orgánicos (OLED), que actualmente se utilizan principalmente en teléfonos móviles y pantallas de televisión de primera calidad, en varios órdenes de magnitud. Su estudio fue publicado recientemente en la revista Nature Photonics. .

"El diámetro de los píxeles OLED más diminutos que hemos desarrollado hasta la fecha está en el rango de 100 nanómetros, lo que significa que son alrededor de 50 veces más pequeños que el estado actual de la técnica", afirmó Jiwoo Oh, estudiante de doctorado activo en el grupo de investigación de ingeniería de nanomateriales dirigido por el profesor de ETH Chih-Jen Shih.

Oh desarrolló el proceso de fabricación de los nuevos nano-OLED junto con Tommaso Marcato. "En un solo paso, la densidad máxima de píxeles es ahora alrededor de 2.500 veces mayor que antes", afirmó Marcato, que trabaja como postdoctorado en el grupo de Shih.

A modo de comparación:hasta la década de 2000, el ritmo de miniaturización de los procesadores de ordenador seguía la ley de Moore, según la cual la densidad de los elementos electrónicos se duplicaba cada dos años.

Los píxeles con un tamaño de entre 100 y 200 nanómetros forman la base de las pantallas de resolución ultraalta que podrían mostrar imágenes nítidas en gafas que se llevan cerca del ojo, por ejemplo. Para ilustrar esto, el equipo de investigadores de Shih mostró el logotipo de ETH Zurich. El logotipo consta de 2800 nano-OLED, de tamaño similar al de una célula humana, y cada uno de sus píxeles mide alrededor de 200 nanómetros. Los píxeles más pequeños desarrollados hasta ahora por los investigadores de ETH Zurich alcanzan el rango de 100 nanómetros.

Además, estas pequeñas fuentes de luz también podrían ayudar a enfocar el rango submicrométrico mediante microscopios de alta resolución. "Una matriz de nanopíxeles como fuente de luz podría iluminar las áreas más pequeñas de una muestra. Las imágenes individuales podrían luego ensamblarse en una computadora para ofrecer una imagen extremadamente detallada", dijo el profesor Shih. También percibe los nanopíxeles como pequeños sensores potenciales que podrían detectar señales de células nerviosas individuales.

Estas diminutas dimensiones también abren posibilidades para la investigación y la tecnología que antes estaban completamente fuera de nuestro alcance. Según Marcato:"Cuando dos ondas de luz del mismo color convergen a menos de la mitad de su longitud de onda (el llamado límite de difracción), ya no oscilan independientemente una de otra, sino que comienzan a interactuar entre sí". En el caso de la luz visible, este límite se sitúa entre 200 y 400 nanómetros, dependiendo del color; los nano-OLED desarrollados por los investigadores de ETH se pueden colocar así de cerca unos de otros.

Al realizar experimentos iniciales, el equipo de Shih pudo utilizar tales interacciones para manipular la dirección de la luz emitida de manera específica. En lugar de emitir luz en todas las direcciones por encima del chip, los OLED solo emiten luz en ángulos muy específicos. "En el futuro será posible agrupar la luz de una matriz nano-OLED en una dirección y aprovecharla para construir potentes miniláseres", espera Marcato.

La luz polarizada, es decir, la luz que oscila en un solo plano, también se puede generar mediante interacciones, como ya han demostrado los investigadores. Hoy en día, esto se aplica, por ejemplo, en medicina para distinguir el tejido sano del tejido canceroso.

Las modernas tecnologías de radio y radar nos dan una idea del potencial de estas interacciones. Utilizan longitudes de onda que van desde milímetros hasta kilómetros y ya llevan tiempo explotando estas interacciones. Las denominadas disposiciones de matriz en fase permiten alinear y enfocar con precisión las antenas o las señales del transmisor. En el espectro óptico, estas tecnologías podrían ayudar, entre otras cosas, a acelerar aún más la transmisión de información en redes de datos y ordenadores.

El principio básico de la interacción de las ondas se puede ilustrar acertadamente arrojando dos piedras una al lado de la otra en un lago con la superficie lisa como un espejo. Donde se encuentran las ondas circulares del agua, se crea un patrón geométrico de crestas y valles de ondas. De manera similar, los nano-OLED dispuestos de forma inteligente pueden producir efectos de ondas ópticas en los que la luz de los píxeles vecinos se refuerza o anula mutuamente.

En la fabricación actual de OLED, las moléculas emisoras de luz se depositan posteriormente mediante vaporización sobre chips de silicio. Esto se consigue utilizando máscaras metálicas relativamente gruesas, que producen píxeles correspondientemente más grandes. Pero, como explicó Oh, el avance hacia la miniaturización está siendo posible gracias a un material cerámico especial:"El nitruro de silicio puede formar membranas muy finas pero resistentes que no se comban en superficies de sólo unos pocos milímetros cuadrados".

En consecuencia, los investigadores pudieron producir plantillas para colocar los píxeles nano-OLED que son alrededor de 3.000 veces más delgados. "Nuestro método también tiene la ventaja de que puede integrarse directamente en los procesos de litografía estándar utilizados para la producción de chips de ordenador", afirmó Oh.

Los nuevos nanodiodos emisores de luz se desarrollaron en el contexto de una subvención de consolidación otorgada a Shih en 2024 por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF). Actualmente, los investigadores están trabajando para optimizar su método. Además de una mayor miniaturización de los píxeles, la atención se centra también en controlarlos.

"Nuestro objetivo es conectar los OLED de tal manera que podamos controlarlos individualmente", afirmó Shih. Esto es necesario para aprovechar todo el potencial de las interacciones entre los píxeles de luz. Entre otras cosas, los nanopíxeles controlables con precisión podrían abrir la puerta a nuevas aplicaciones de la óptica de matriz en fase, que puede dirigir y enfocar electrónicamente ondas de luz.

En la década de 1990, se postuló que la óptica de matriz en fase permitiría proyecciones holográficas desde pantallas bidimensionales. Pero Shih ya está pensando en ir un paso más allá:en el futuro, grupos de OLED interactivos podrían agruparse en metapíxeles y posicionarse con precisión en el espacio. "Esto permitiría realizar imágenes en 3D alrededor de los espectadores", afirma el químico mirando hacia el futuro.

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