8 Minutės
Vokietijos Julius-Maximilians-Universität Würzburg fizikų komanda demonstravo mažiausią pasaulyje šviesą spinduliuojantį pikselį, atverdama kelią itin kompaktiškiems ekranams, kurie galėtų būti integruoti į akinių rėmus, kontaktinius lęšius arba beveik nematomus dėvimus projektorius.
Pikselis smėlio grūdo dydžio – ir stebėtinai ryškus
Panaudoję organinių šviesos diodų (OLED) technologiją kartu su specialiai suprojektuotomis optinėmis antenomis, Würzburgo tyrėjai sukūrė veikiantį oranžinį spinduliuojantį pikselį, kurio matmenys siekia vos 300 × 300 nanometrų. Nepaisant itin mažo ploto, šis nanopikselis pasižymi ryškumu, prilygstančiu įprastam 5 × 5 mikrometrų OLED pikseliui. Norint pabrėžti mastelį: milijonai tokių nanopikselių galėtų tilpti į plotą, mažesnį nei vienas kvadratinis milimetras — teoriškai ant tokio mažo lopinėlio būtų galima sutalpinti visą 1920 × 1080 raiškos vaizdą.
Tyrimo vadovai profesoriai Jens Pflaum ir Bert Hecht paaiškina, kad proveržis buvo pasiektas derinant elektrinio srovės injekciją su vietine optine stiprinimo sistema. Metalinis kontaktas atlieka dvi funkcijas: tiekia srovę organinei aktyviai sluoksniui ir tuo pačiu veikia kaip optinė antena, padidinanti šviesos ištrauką iš nanoskalinio spinduolio. Tokia konstrukcija išlaiko savarankiško spinduliavimo OLED privalumus — gilų juodumą ir sodrias spalvas be foninio apšvietimo — tuo pačiu sumažinant pikselį iki anksčiau neįsivaizduojamo dydžio.
Šiame etape nanopikselio projektavimas taip pat optimizuoja optinį spindžio spinduliavimą ir spalvos kokybę per mikroskalės antenų formą ir medžiagų sluoksniavimą. Tokie dizaino sprendimai yra svarbūs ne tik ryškumui, bet ir spektrinei kontrolei, gebėjimui formuoti arba nukreipti spinduliuotę link optinių perdavimo elementų — pavyzdžiui, bangolaidžių (waveguide) akinių lęšiuose.
Kodėl negalima tiesiog sumažinti įprasto OLED
Miniatūrizacija nėra paprasčiausiai esamų dizainų suspaudimas. Kai elektrodai ir aktyviosios srities matmenys priartėja prie šviesos bangos ilgio, elektrinės ir optinės savybės pasikeičia iš esmės. Pflaum pabrėžia, kad metalinė antena pradeda elgtis kaip žaibo nutviekstas stulpas: srovės koncentracija kampuose sukelia intensyvias vietines elektrines laukus.
Tokių laukų poveikis gali mobilizuoti aukso atomus elektrode, leidžiant jiems migruoti į plonus organinius sluoksnius. Dėl to susidaro laidūs pluoštai (filamentai), kurie auga tol, kol įvyksta trumpasis jungimas ir prietaisas nebeveikia. Tiesiogine kalba: kuo mažesnį tradicinį OLED sukursite, tuo didesnė tikimybė, kad jis sugesti veikiant darbinei įtampai.
Be aukso migracijos, nanoskalinėse struktūrose pastebimi ir kiti iššūkiai: kvantinių išmetimo režimų pakeitimai, šiluminė disipacija ribotoje erdvėje ir bendroji lauko bei srovės nesuderinamumas su tradicinėmis valdymo grandinėmis. Taip pat prasideda didesnė jautrumo trukdžiams ir triukšmui, todėl reikalingi specialūs vairavimo schemų sprendimai ir izoliacinės strategijos, kurios užtikrintų ilgalaikį darbo stabilumą.
The Würzburg trick: targeted insulation and a tiny aperture
Komanda tai išsprendė pridėjusi specialiai pritaikytą izoliacinį sluoksnį, kuris dengia didžiąją optinės antenos dalį, palikdamas centrinį apskritą plyšį, kurio skersmuo yra tik 200 nanometrų. Šis plyšys blokuoja srovių injekcijos kelius per kraštus ir kampus, verčia srovę tekėti per kontroliuojamą centrinę zoną ir taip užkerta kelią šoniniam filamento augimui. Rezultatas — stabilus nanopikselis; pirmieji įrenginiai veikė patikimai bent dvi savaites esant įprastoms atmosferos sąlygoms.
Praktinis dizainas derina pritaikytų dielektrikų sluoksnius su tikslios geometrijos metalinėmis antenomis, kad būtų pasiektas optimalus srovės paskirstymas ir optinis ištraukimas. Izoliacinio sluoksnio cheminė sudėtis bei storis yra kruopščiai parinkti, kad būtų suderintas mechaninis atsparumas, dielektrinės savybės ir suderinamumas su organinėmis medžiagomis. Toks daugiasluoksnis požiūris — medžiagų inžinerija kartu su nanofotonikos valdymu — yra pagrindas, leidžiantis išlaikyti stabilumą nanoskalėje.
Šiuo metu įrenginiai pasiekia apie 1 % išorinį efektyvumą ir spinduliuoja oranžinėje spektro dalyje. Tyrėjai planuoja didinti efektyvumą ir kurti raudonos, žalios bei mėlynos emisijos sluoksnius, kad būtų galima sukurti pilno spalvinio RGB vaizdo palaikymą. Tokie patobulinimai atvertų galimybes sukurti tikrai miniatiūrinius, didelės raiškos ekranus papildytos realybės (AR) šalmams, mišrios realybės akiniams ir kitiems nešiojamiems optiniams sprendimams.
Mokslo kontekstas: OLED pagrindai ir optinės antenos
Įprasti OLED ekranai remiasi organinių puslaidininkių sluoksnių sandūromis, įterptomis tarp elektrodų. Kai elektronai ir skylės (elektronų trūkumai) yra įvesti ir susijungia aktyviame organiniame sluoksnyje, sužadinti molekuliai atpalaiduoja energiją fotonais. Kadangi kiekvienas pikselis spindi pats, OLED nereikalauja atskiro foninio apšvietimo ir gali pasiekti aukštą kontrastą bei geresnį energijos naudojimo efektyvumą nešiojamuosius įrenginiuose.
Optinės antenos yra nanoskalės metalinės struktūros, skirtos sutelkti ir nukreipti elektromagnetinius laukus. Würzburgo nanopikselyje metalinis kontaktas atlieka ir antenos funkciją: jis formuoja vietinį optinės sąlygos tankį (LDOS, angl. local density of optical states) ir padeda sujungti molekulinę emisiją su laisvos erdvės spinduliavimu. Toks sujungimas yra esminis, norint gauti ryškią spinduliuotę iš srities, mažesnės už šviesos bangos ilgį.
Optinių antenų dizainas, t.y. jų geometrija, matmenys, paviršiaus apdirbimas ir jungiamųjų sluoksnių parametrų valdymas, nulemia spindulio kryptį, poliarizaciją ir efektyvumą. Nanoskalės metalo savybės, tokios kaip paviršiaus plazmonų sugavimo režimai, gali būti išnaudotos norint sustiprinti spinduliuotę ir efektyviai ją nukreipti link perdirbimo ar perdavimo elementų — tai yra ypač svarbu integruojant nanopikselius su bangolaidžių architektūromis ir kitomis nešiojamomis optinėmis sistemomis.
What this means for wearable displays and AR
- Miniatūrizuota projekcija: itin tankus nanopikselių masyvas galėtų būti įmontuotas į akinių šonines dalis (tempelius) ir projektuoti vaizdus ant bangolaidžių lęšio, todėl ekranai būtų praktiškai nematomi vartotojui ir aplinkiniams.
- Energijos ir kontrasto privalumai: savarankiškai spindintys nanopikseliai išlaiko OLED privalumus — potencialą pasiekti labai gilų juodą atspalvį ir mažesnes energijos sąnaudas, palyginti su emisijos sistemomis, kurios reikalauja didesnių foninių apšvietimų ar sudėtingesnių optinių sprendimų.
- Gamybos iššūkiai: pereiti nuo laboratorinių demonstracijų prie pilnų spalvų ir efektyvių masyvų reikalauja naujų gamybos metodų, tikslių nanodažymo, litografijos ir patikimų nanopikselio valdymo elektronikos sprendimų.
Be vartotojų elektronikos, nanopikseliai gali rasti taikymų medicininės vaizdavimo mikroprojektoriuose, dėvimose diagnostikos sąsajose su integruotu vizualiniu grįžtamuoju ryšiu arba kompaktiškuose head-up ekranuose nuotoliniam darbui ir lauko operacijoms. Medicininiuose endoskopuose ar minimaliai invazinės chirurgijos įrankiuose mažas, ryškus ir didelės raiškos vaizdo šaltinis galėtų pagerinti vizualizaciją ir sumažinti įrankių dydį.
Integruojant nanopikselius į kompleksiškesnes sistemas, taip pat atsiranda poreikis suderinti optinius elementus su vaizdo tvarkymo grandinėmis, korekcijos algoritmais ir mažos galios tvarkymo architektūromis. Tai apima vietinę vaizdo apdorojimo logiką, skaitmeninės korekcijos schemų pritaikymą spalvos netolygumams ir adaptacines šviesos valdymo strategijas, užtikrinančias optimalią vaizdo kokybę esant kintančioms aplinkos sąlygoms.
Expert Insight
„Šis rezultatas yra elegantiškas nanofotonikos ir medžiagų inžinerijos derinys,“ sako dr. Maya Singh, optinių sistemų inžinierė, turinti patirties AR ekrano dizaino srityje. „Valdydami ir srovės srautus, ir šviesos išėjimą, Würzburgo komanda išvengė gedimų režimų, kurie iki šiol trukdė praktiniams nanopikseliams. Tolimesnės užduotys yra RGB integracija ir tokių valdymo schemų kūrimas, kurios palaikytų mažas energijos sąnaudas.“
Dr. Singh priduria, kad nors komercinė diegimo fazė reikalauja papildomo optimizavimo, pats koncepcijos principas keičia dizaino mąstymą: ekranai nebūtinai turi būti didelės plokštumos — jie gali būti integruoti į mažiausius dėvimų įrenginių struktūrinius elementus. Tai leidžia peržiūrėti priėmimo sprendimus akinių, drabužių arba medicininių prietaisų dizainuose.
Kol kas išlieka keletas techninių iššūkių: išorinio kvantinio efektyvumo (EQE) didinimas nuo dabartinių ~1 % iki lygių, konkurencinių su mikro-OLED technologijomis; stabilių RGB sluoksnių gamyba nanoskalėje; ir aukšto našumo masinė gamyba su mažomis nuokrypomis. Tačiau pagrindinis principas jau įrodytas — tai lemiamas žingsnis link nematomų, didelės raiškos ekranų, kurie galėtų būti tokie maži, jog juos galima būtų pritvirtinti prie žmogaus kūno arba netgi arti jo.
Galiausiai verta pažymėti, kad ši kryptis susieja kelias mokslo sritis: organinių elektronikos sistemų medžiagų chemiją, nanofotonikos modeliavimą, precizinę mikro- ir nanofabrikaciją, taip pat mažos galios elektronikos inžineriją. Tik glaudžiai bendradarbiaujant tarp disciplinų bus įmanoma perkelti nanopikselių technologiją nuo pionieriškų pavyzdžių prie plačiai prieinamų komercinių sprendimų.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą