Команда физиков раздвинула границы того, насколько маленьким может быть пиксель дисплея, открыв новый подход, который может изменить будущее носимой оптики.
Физики из Вюрцбургского университета имени Юлиуса-Максимилиана разработали самый маленький в мире светоизлучающий пиксель, что ознаменовало собой прорыв в создании ультракомпактных дисплеев для умных очков и других носимых устройств.
Умные очки или очки, которые могут проецировать цифровую информацию непосредственно в поле зрения пользователя, часто рассматриваются как краеугольный камень будущих носимых технологий. Однако до сих пор прогресс был ограничен громоздкими компонентами и оптическими ограничениями, которые препятствуют эффективному излучению света, когда пиксели уменьшаются до масштаба одной длины волны.
Исследователи из Вюрцбургского университета имени Юлиуса-Максимилиана (JMU) добились крупного прорыва в создании ярких, сверхкомпактных дисплеев. Используя оптические антенны, они разработали самый маленький светоизлучающий пиксель из когда-либо созданных. Работа, проведенная под руководством профессоров Йенса Пфлаума и Берта Хехта, была подробно описана в журнале Science Advances.
Дисплей на квадратном миллиметре
«С помощью металлического контакта, который позволяет подавать ток в органический светодиод и одновременно усиливать и излучать генерируемый свет, мы создали пиксель для оранжевого света на площади размером всего 300 на 300 нанометров. Этот пиксель такой же яркий, как и обычный OLED-пиксель с нормальными размерами 5 на 5 микрометров», — говорит Берт Хехт, описывая ключевой вывод исследования. Для сравнения, нанометр — это одна миллионная миллиметра.
Это означает, что дисплей или проектор с разрешением 1920 x 1080 пикселей легко поместится на площади всего в один квадратный миллиметр и сможет. Это, например, позволяет интегрировать дисплей в кронштейны очков, откуда генерируемый свет будет проецироваться на линзы.
OLED состоит из нескольких ультратонких органических слоев, встроенных между двумя электродами. Когда ток протекает через эту стопку, электроны и дырки рекомбинируют и электрически возбуждают органические молекулы в активном слое, которые затем высвобождают эту энергию в виде квантов света. Поскольку каждый пиксель светится сам по себе, подсветка не требуется, что обеспечивает особенно глубокий черный цвет, яркие цвета и эффективное управление энергопотреблением для портативных устройств в области дополненной и виртуальной реальности (AR и VR).
Простая миниатюризация не работает
Ключевой проблемой, с которой столкнулись исследователи из Вюрцбурга при дальнейшей миниатюризации своих пикселей, было неравномерное распределение токов в этих малых размерах: «Как и в случае с громоотводом, простое уменьшение размера установленной концепции OLED привело бы к тому, что токи излучались бы в основном из углов антенны», — говорит Йенс Пфлаум, описывая физический фон. Эта антенна, сделанная из золота, будет иметь форму кубоида с длиной краев 300 на 300 на 50 нанометров.
«Возникающие в результате электрические поля будут генерировать такие сильные силы, что атомы золота, становясь подвижными, постепенно превращаются в оптически активный материал», — продолжает Пфлаум. Эти ультратонкие структуры, также известные как «нити», будут продолжать расти до тех пор, пока пиксель не будет разрушен коротким замыканием.
Следующий шаг: повышение эффективности
Конструкция, разработанная в настоящее время в Вюрцбурге, содержит недавно введенный, специально изготовленный изоляционный слой поверх оптической антенны, который оставляет только круглое отверстие диаметром 200 нанометров в центре антенны. Такое расположение блокирует токи, которые будут подаваться по краям и углам, что обеспечивает надежную и длительную работу наносветодиода. В этих условиях нити уже не могут образовываться. «Даже первые нанопиксели были стабильны в течение двух недель в условиях окружающей среды», — говорит Берт Хехт, описывая результат.
На следующих шагах физики хотят еще больше повысить эффективность с нынешнего уровня в один процент и расширить цветовую гамму до спектрального диапазона RGB. Тогда практически ничто не будет стоять на пути нового поколения миниатюрных дисплеев «сделано в Вюрцбурге». С помощью этой технологии дисплеи и проекторы в будущем могут стать настолько маленькими, что их можно будет практически незаметно интегрировать в устройства, носимые на теле — от оправ для очков до контактных линз.