Creando los LEDs más pequeños del mundo: El avance nano-LED de ETH Zurich

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Un array de píxeles de diodos orgánicos nano-emisores de luz muestra el logo de ETH con una resolución de 50,000 píxeles por pulgada. (Imagen: Jiwoo Oh / ETH Zurich; Nature Photonics)

La miniaturización es la fuerza impulsora detrás de la industria de semiconductores. Las tremendas ganancias en rendimiento computacional desde los años 1950 se deben en gran parte al hecho de que se pueden fabricar estructuras cada vez más pequeñas en chips de silicio. Ingenieros químicos de ETH Zurich han logrado ahora reducir el tamaño de diodos orgánicos emisores de luz (OLEDs) — que actualmente se usan principalmente en teléfonos móviles premium y pantallas de TV — 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 del arte actual", dijo Jiwoo Oh, estudiante doctoral 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-OLEDs junto con Tommaso Marcato. "En un solo paso, la densidad máxima de píxeles es ahora alrededor de 2500 veces mayor que antes", dijo Marcato, quien está activo como postdoc en el grupo de Shih.

Por comparación: hasta los años 2000, el ritmo de miniaturización de procesadores de computadora siguió la Ley de Moore, según la cual la densidad de elementos electrónicos se duplicaba cada dos años.

Píxeles que varían en tamaño de 100 a 200 nanómetros forman la base para pantallas de ultra-alta resolución que podrían mostrar imágenes nítidas en gafas usadas cerca del ojo, por ejemplo. Para ilustrar esto, el equipo de investigadores de Shih mostró el logo de ETH Zurich. El logo consiste en 2800 nano-OLEDs, similares en tamaño a una célula humana, con cada uno de sus píxeles midiendo 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 diminutas fuentes de luz también podrían ayudar a enfocar en el rango sub-micrómetro mediante microscopios de alta resolución. "Un array de nano-píxeles como fuente de luz podría iluminar las áreas más minúsculas de una muestra. Las imágenes individuales podrían luego ensamblarse en una computadora para entregar una imagen extremadamente detallada", dijo el Profesor Shih. También percibe los nano-píxeles como potenciales sensores diminutos que podrían detectar señales de células nerviosas individuales.

Estas dimensiones minúsculas también abren posibilidades para investigación y tecnología que estaban completamente fuera de alcance anteriormente. Según Marcato: "Cuando dos ondas de luz del mismo color convergen más cerca que la mitad de su longitud de onda — el llamado límite de difracción — ya no oscilan independientemente la una de la otra sino que comienzan a interactuar." En el caso de luz visible, este límite está entre alrededor de 200 y 400 nanómetros, dependiendo del color — los nano-OLEDs desarrollados por los investigadores de ETH pueden posicionarse tan cerca.

Realizando experimentos iniciales, el equipo de Shih pudo usar tales interacciones para manipular la dirección de la luz emitida de manera dirigida. En lugar de emitir luz en todas las direcciones sobre el chip, los OLEDs entonces 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 mini-láseres potentes", espera Marcato.

Luz polarizada — luz que oscila en un solo plano — también puede generarse mediante interacciones, como los investigadores ya han demostrado. Hoy, esto está en uso en medicina, por ejemplo, para distinguir tejido sano de canceroso.

Las tecnologías modernas de radio y radar nos dan una idea del potencial de estas interacciones. Usan longitudes de onda que van desde milímetros a kilómetros y ya han estado explotando estas interacciones por algún tiempo. Los llamados arreglos de phased array permiten alinear y enfocar con precisión antenas o señales de transmisor. En el espectro óptico, tales tecnologías podrían, entre otras cosas, ayudar a acelerar aún más la transmisión de información en redes de datos y computadoras.

El principio básico de ondas interactivas puede ilustrarse aptamente arrojando dos piedras una al lado de la otra en un lago espejo. Donde las ondas circulares de agua se encuentran, se crea un patrón geométrico de crestas y valles de onda. De manera similar, nano-OLEDs inteligentemente dispuestos pueden producir efectos de onda óptica en los que la luz de píxeles vecinos se refuerza o cancela mutuamente.

En la fabricación de OLEDs hasta la fecha, las moléculas emisoras de luz han sido posteriormente depositadas por vapor sobre chips de silicio. Esto se logra usando máscaras metálicas relativamente gruesas, que producen píxeles correspondientemente más grandes. Pero como explicó Oh, el impulso hacia la miniaturización ahora está siendo habilitado por un material cerámico especial: "El nitruro de silicio puede formar membranas muy delgadas pero resistentes que no se hunden en superficies de apenas unos pocos milímetros cuadrados."

Consecuentemente, los investigadores pudieron producir plantillas para colocar los píxeles nano-OLED que son alrededor de 3,000 veces más delgadas. "Nuestro método también tiene la ventaja de que puede integrarse directamente en procesos de litografía estándar usados para la producción de chips de computadora", dijo Oh.

Los nuevos diodos nano-emisores de luz fueron desarrollados dentro del contexto de una Consolidator Grant otorgada a Shih en 2024 por la Fundación Nacional Suiza de Ciencia (SNSF). Los investigadores están trabajando actualmente en optimizar su método. Además de la mayor miniaturización de los píxeles, el foco también está en controlarlos.

"Nuestro objetivo es conectar los OLEDs de manera que podamos controlarlos individualmente", dijo Shih. Esto es necesario para aprovechar todo el potencial de las interacciones entre los píxeles de luz. Entre otras cosas, nano-píxeles precisamente controlables podrían abrir la puerta a nuevas aplicaciones de óptica phased array, que pueden dirigir y enfocar ondas de luz electrónicamente.

En los años 1990, se postuló que la óptica phased array permitiría proyecciones holográficas desde pantallas bidimensionales. Pero Shih ya está pensando un paso más allá: en el futuro, grupos de OLEDs interactivos podrían agruparse en meta-píxeles y posicionarse precisamente en el espacio. "Esto permitiría realizar imágenes 3D alrededor de los espectadores", dijo el químico, con una mirada al futuro.

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