Herstellung der kleinsten LEDs der Welt:Der Nano-LED-Durchbruch der ETH Zürich

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Ein Pixelarray aus organischen Nano-Leuchtdioden zeigt das ETH-Logo mit einer Auflösung von 50.000 Pixel pro Zoll. (Bild:Jiwoo Oh / ETH Zürich; Nature Photonics)

Die Miniaturisierung gilt als treibende Kraft der Halbleiterindustrie. Die enormen Leistungssteigerungen von Computern seit den 1950er-Jahren sind vor allem darauf zurückzuführen, dass auf Siliziumchips immer kleinere Strukturen hergestellt werden können. Chemieingenieuren der ETH Zürich ist es nun gelungen, die Größe organischer Leuchtdioden (OLEDs), die derzeit vor allem in Premium-Handys und Fernsehbildschirmen zum Einsatz kommen, um mehrere Grössenordnungen zu reduzieren. Ihre Studie wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht .

„Der Durchmesser der kleinsten OLED-Pixel, die wir bisher entwickelt haben, liegt im Bereich von 100 Nanometern, was bedeutet, dass sie etwa 50-mal kleiner sind als der aktuelle Stand der Technik“, sagte Jiwoo Oh, ein Doktorand, der in der Forschungsgruppe Nanomaterialtechnik unter der Leitung von ETH-Professor Chih-Jen Shih aktiv ist.

Das Verfahren zur Herstellung der neuen Nano-OLEDs hat Oh gemeinsam mit Tommaso Marcato entwickelt. „In nur einem einzigen Schritt ist die maximale Pixeldichte jetzt rund 2500-mal größer als zuvor“, sagt Marcato, der als Postdoktorand in Shihs Gruppe tätig ist.

Zum Vergleich:Bis in die 2000er Jahre folgte das Tempo der Miniaturisierung von Computerprozessoren dem Mooreschen Gesetz, wonach sich die Dichte elektronischer Elemente alle zwei Jahre verdoppelte.

Pixel mit einer Größe von 100 bis 200 Nanometern bilden die Grundlage für ultrahochauflösende Bildschirme, die beispielsweise in Brillen, die nah am Auge getragen werden, gestochen scharfe Bilder anzeigen könnten. Um dies zu veranschaulichen, zeigte Shihs Forscherteam das Logo der ETH Zürich. Das Logo besteht aus 2800 Nano-OLEDs, die etwa die Größe einer menschlichen Zelle haben und deren Pixel jeweils rund 200 Nanometer messen. Die kleinsten Pixel, die die ETH-Forscher bislang entwickelt haben, erreichen eine Größe von 100 Nanometern.

Darüber hinaus könnten diese winzigen Lichtquellen auch dazu beitragen, mit hochauflösenden Mikroskopen den Fokus auf den Submikrometerbereich zu richten. „Ein Nanopixel-Array als Lichtquelle könnte die kleinsten Bereiche einer Probe beleuchten. Die einzelnen Bilder könnten dann auf einem Computer zusammengesetzt werden, um ein äußerst detailliertes Bild zu liefern“, sagte Professor Shih. Er sieht Nanopixel auch als potenzielle winzige Sensoren, die Signale einzelner Nervenzellen erkennen könnten.

Diese winzigen Dimensionen eröffnen auch Möglichkeiten für Forschung und Technologie, die bisher völlig unerreichbar waren. Laut Marcato:„Wenn zwei Lichtwellen derselben Farbe näher als die Hälfte ihrer Wellenlänge – der sogenannten Beugungsgrenze – zusammenlaufen, schwingen sie nicht mehr unabhängig voneinander, sondern beginnen miteinander zu interagieren.“ Bei sichtbarem Licht liegt diese Grenze je nach Farbe zwischen etwa 200 und 400 Nanometern – so nah können die von den ETH-Forschern entwickelten Nano-OLEDs positioniert werden.

Mit ersten Experimenten gelang es Shihs Team, solche Wechselwirkungen zu nutzen, um die Richtung des emittierten Lichts gezielt zu manipulieren. Anstatt oberhalb des Chips Licht in alle Richtungen auszustrahlen, strahlen die OLEDs dann Licht nur in ganz bestimmten Winkeln ab. „In Zukunft wird es möglich sein, das Licht einer Nano-OLED-Matrix in eine Richtung zu bündeln und daraus leistungsstarke Minilaser zu bauen“, erwartet Marcato.

Auch polarisiertes Licht – also Licht, das nur in einer Ebene schwingt – kann durch Wechselwirkungen erzeugt werden, wie die Forscher bereits gezeigt haben. Dies wird heute beispielsweise in der Medizin eingesetzt, um gesundes Gewebe von Krebsgewebe zu unterscheiden.

Moderne Funk- und Radartechnologien geben uns eine Vorstellung vom Potenzial dieser Wechselwirkungen. Sie nutzen Wellenlängen im Millimeter- bis Kilometerbereich und machen sich diese Wechselwirkungen bereits seit Längerem zunutze. Sogenannte Phased-Array-Anordnungen ermöglichen eine präzise Ausrichtung und Fokussierung von Antennen oder Sendersignalen. Im optischen Spektrum könnten solche Technologien unter anderem dazu beitragen, die Informationsübertragung in Datennetzen und Computern weiter zu beschleunigen.

Das Grundprinzip der Wechselwirkung von Wellen lässt sich gut veranschaulichen, indem man zwei Steine nebeneinander in einen spiegelglatten See wirft. Wo die kreisförmigen Wasserwellen aufeinandertreffen, entsteht ein geometrisches Muster aus Wellenbergen und Wellentälern. Auf ähnliche Weise können intelligent angeordnete Nano-OLEDs optische Welleneffekte erzeugen, bei denen sich das Licht benachbarter Pixel gegenseitig verstärkt oder aufhebt.

Bisher werden bei der Herstellung von OLEDs die lichtemittierenden Moleküle nachträglich auf Siliziumchips aufgedampft. Dies wird durch die Verwendung relativ dicker Metallmasken erreicht, die entsprechend größere Pixel erzeugen. Doch wie Oh erklärte, wird der Drang zur Miniaturisierung nun durch ein spezielles Keramikmaterial ermöglicht:„Siliziumnitrid kann sehr dünne und dennoch belastbare Membranen bilden, die auf Oberflächen von nur wenigen Quadratmillimetern nicht durchhängen.“

Dadurch konnten die Forscher etwa 3.000-mal dünnere Schablonen für die Platzierung der Nano-OLED-Pixel erstellen. „Unsere Methode hat außerdem den Vorteil, dass sie direkt in Standard-Lithographieprozesse zur Herstellung von Computerchips integriert werden kann“, sagte Oh.

Die neuen Nano-Leuchtdioden wurden im Rahmen eines Consolidator Grant entwickelt, der Shih im Jahr 2024 vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) verliehen wurde. Derzeit arbeiten die Forscher daran, ihre Methode zu optimieren. Neben der weiteren Miniaturisierung der Pixel steht auch deren Ansteuerung im Fokus.

„Unser Ziel ist es, die OLEDs so zu vernetzen, dass wir sie einzeln ansteuern können“, sagte Shih. Dies ist notwendig, um das volle Potenzial der Wechselwirkungen zwischen den Lichtpixeln auszuschöpfen. Präzise steuerbare Nanopixel könnten unter anderem die Tür zu neuartigen Anwendungen der Phased-Array-Optik öffnen, die Lichtwellen elektronisch steuern und fokussieren kann.

In den 1990er Jahren wurde postuliert, dass Phased-Array-Optiken holografische Projektionen von zweidimensionalen Bildschirmen ermöglichen würden. Doch Shih denkt bereits einen Schritt weiter:Künftig könnten Gruppen interagierender OLEDs zu Metapixeln gebündelt und präzise im Raum positioniert werden. „Dadurch ließen sich 3D-Bilder um den Betrachter herum realisieren“, blickt der Chemiker in die Zukunft.

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