Mikroelektronik Weltkleinste Leuchtdiode fabriziert

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Forschende der ETH Zürich stellen organische Leuchtdioden (OLED) auf der Nanoskala her – die sind rund hundertmal kleiner als eine menschliche Zelle. Damit werden nicht nur ultrascharfe Bildschirme und Mikroskope möglich. Die Pixel sind so klein, dass neuartige Wellenoptik-Anwendungen denkbar werden.

Die Miniaturisierung ist die Triebkraft der Halbleiter-Industrie. Die enorme Leistungssteigerung der Computer seit den 1950er-Jahren beruht weitgehend darauf, dass immer kleinere Strukturen auf die Silizium-Chips gefertigt werden können. Chemieingenieur:innen der ETH Zürich ist es nun gelungen, die heute vor allem in Premium-Handys und TV-Bildschirmen eingesetzten organischen Leuchtdioden (Organic Light Emitting Diode, OLED) gleich um Grössenordnungen zu verkleinern. Ihre Studie erschien unlängst im Fachmagazin externe Seite Nature Photonics.

Miniaturisiert in einem Schritt

Leuchtdioden sind Elektronikchips aus Halbleitermaterialien, die elektrischen Strom in Licht umwandeln. «Der Durchmesser der bisher kleinsten OLED-Pixel, die wir entwickelt haben, erreicht den Bereich von 100 Nanometern. Damit sind sie rund 50-mal kleiner als der bisherige Stand der Technik», erklärt Jiwoo Oh, Doktorandin in der Forschungsgruppe für Nanomaterial-Engineering von ETH-Professor Chih-Jen Shih.

Oh hat das Verfahren für die Fabrikation der neuen Nano-OLED gemeinsam mit Tommaso Marcato entwickelt. «Die maximale Dichte der Pixel ist damit in einem Schritt rund 2500-mal grösser als bisher», ergänzt Marcato, der als Postdoc in Shihs Gruppe tätig ist.

Zum Vergleich: Das Miniaturisierungstempo der Computer-Prozessoren folgte bis in die 2000er-Jahre dem sogenannten Gesetz von Moore, wonach sich die Dichte der elektronischen Elemente alle zwei Jahre verdoppelte.

Bildschirme, Mikroskope und Sensoren

Pixel im Grössenbereich von 100 bis 200 Nanometer legen zum einen die Grundlage für ultrahochauflösende Bildschirme, die etwa in Brillen nahe am Auge gestochen scharfe Bilder zeigen könnten. Um das zu veranschaulichen haben die Forschenden um Shih das Logo der ETH Zürich dargestellt. Dieses ETH-Logo besteht aus 2800 Nano-OLED und ist ähnlich gross wie eine menschliche Zelle. Jedes seiner Pixel misst rund 200 Nanometer (0.2 Mikrometer). Die bisher kleinsten Pixel der ETH-Forschenden erreichen den Bereich von 100 Nanometern.

Die winzigen Lichtspender könnten aber auch helfen, um mittels hochauflösender Mikroskope in den Sub-Mikrometerbereich zu fokussieren. «Ein Nano-Pixel-Feld als Lichtquelle könnte kleinste Bereiche einer Probe durchleuchten – die Einzelbilder liessen sich dann im Computer zu einem extrem detaillierten Bild zusammensetzen», erklärt der Professor für technische Chemie. Ferner sieht er Nano-Pixel potenziell auch als winzige Sensoren, die etwa Signale einzelner Nervenzellen detektieren könnten.

Nano-Pixel erzeugen optische Welleneffekte

Die kleinen Dimensionen eröffnen der Forschung und Technik aber auch Möglichkeiten, die bisher noch gar nicht realisierbar waren, wie Marcato betont: « Wenn zwei gleichfarbige Lichtwellen näher zusammenrücken als die Hälfte ihrer Wellenlänge – das sogenannte Beugungslimit – schwingen sie nicht mehr unabhängig voneinander, sondern beginnen miteinander zu wechselwirken.» Für das sichtbare Licht liegt diese Grenze abhängig von der Farbe zwischen rund 200 und 400 Nanometern – und so eng beieinander lassen sich auch die Nano-OLED der ETH-Forschenden platzieren.

Das Grundprinzip der wechselwirkenden Wellen lässt sich veranschaulichen, indem man zwei Steine nebeneinander in einen spiegelglatten See wirft. Dann entsteht dort, wo die kreisförmigen Wasserwellen aufeinandertreffen, ein geometrisches Muster aus Wellenbergen und Wellentälern. Auf ähnliche Weise können geschickt angeordnete Nano-OLED optische Welleneffekte erzeugen, bei denen sich das Licht von benachbarten Pixeln gegenseitig verstärkt oder auslöscht.

Lichtrichtung und Polarisation manipulieren

Das Team von Shih konnte in ersten Experimenten mit Hilfe solcher Wechselwirkungen die Richtung des ausgestrahlten Lichts gezielt manipulieren. Statt in alle Richtungen über dem Chip strahlen die OLED ihr Licht dann nur noch in ganz bestimmten Winkeln ab. «Man wird künftig auch das Licht einer Nano-OLED-Matrix in eine Richtung bündeln und damit leistungsstarke Mini-Laser konstruieren können», erwartet Marcato.

Auch polarisiertes Licht – also Licht, das nur in einer Ebene schwingt – lässt sich mittels Wechselwirkungen erzeugen, wie die Forschenden bereits gezeigt haben. Solches wird heute beispielsweise in der Medizin genutzt, um gesundes Gewebe von Krebsgewebe zu unterscheiden.

Eine Vorstellung, welches Potenzial die Wechselwirkungen haben, liefern die modernen Funk- und Radartechniken. Sie verwenden Wellenlängen von Millimetern bis zu Kilometern und nutzen Wechselwirkungen schon seit Längerem. Sogenannte Phased-Array-Anordnungen erlauben es dabei, Antennen oder von Sendersignale gezielt auszurichten und zu fokussieren.

Im optischen Spektrum könnten derartige Technologien unter anderem mithelfen, die Informationsübertragung in den Datennetzwerken und in den Computern weiter zu beschleunigen.

Keramik-Membran macht den Unterschied

Bei der Fabrikation von OLED werden die lichtausstrahlenden Moleküle bislang nachträglich auf die Silizium-Chips aufgedampft. Dies geschieht mit relativ dicken Metallmasken, die entsprechend grössere Pixel erzeugen.

Den Schub in Sachen Miniaturisierung ermöglicht nun ein spezielles keramisches Material, wie Oh erklärt: «Silizium-Nitrid kann sehr dünne und trotzdem belastbare Membranen bilden, die auf Flächen im Quadratmillimeter-Bereich nicht durchhängen.»

So konnten die Forschenden rund 3000-mal dünnere Schablonen für die Platzierung der Nano-OLED-Pixel anfertigen. «Unsere Methode hat zudem den Vorteil, dass sie sich direkt in die Standard-Lithografie-Verfahren für die Produktion von Computerchips integrieren lässt», betont Oh.

Eine Tür zu neuen Technologien

Die neuen Nano-Leuchtdioden sind im Rahmen eines Consolidator Grants entstanden, den Shih 2024 vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) erhielt. Zurzeit sind die Forschenden daran, ihre Methode zu optimieren. Neben einer weiteren Miniaturisierung der Pixel steht dabei auch deren Kontrolle im Fokus.

«Unser Ziel ist es, die OLED so zu verschalten, dass wir sie einzeln steuern können», führt Shih aus. Das sei notwendig, um das ganze Potenzial der Wechselwirkungen zwischen den Lichtpixeln auszuschöpfen. Gezielt steuerbare Nano-Pixel könnten unter anderem die Tür zu neuartigen Anwendungen der Phased-Array-Optik öffnen, mit der sich Lichtwellen elektronisch lenken und fokussieren lassen.

In den 1990er-Jahren wurde postuliert, dass die Phased-Array-Optik holographische Projektionen aus zweidimensionalen Bildschirmen ermöglichen werde. Shih denkt bereits einen Schritt weiter: Gruppen von wechselwirkenden OLED könnten dereinst zu Meta-Pixeln gebündelt und präzise im Raum platziert werden. «Auf diese Weise liessen sich etwa 3D-Bilder rund um die Betrachtenden herum realisieren», blickt der Chemiker in die Zukunft.

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