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 nm. Damit sind sie rund 50-mal kleiner als der bisherige Stand der Technik“, erläutert 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 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.
Bildschirme, Mikroskope und Sensoren
Pixel im Größenbereich von 100 bis 200 nm legen die Grundlage für ultrahochauflösende Bildschirme, die etwa in Brillen gestochen scharfe Bilder zeigen könnten. Um das zu veranschaulichen haben die Forscher das Logo der ETH Zürich dargestellt. Dieses Logo besteht aus 2800 Nano-OLED und ist ähnlich groß wie eine menschliche Zelle. Jedes seiner Pixel misst rund 200 nm.
Die winzigen Leuchten könnten aber auch helfen, um mit hochauflösenden Mikroskopen 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 detaillierten Bild zusammensetzen“, sagt 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 auch Möglichkeiten, die bisher noch gar nicht realisierbar waren, wie Marcato meint: „Wenn zwei gleichfarbige Lichtwellen näher zusammenrücken als die Hälfte ihrer Wellenlänge, schwingen sie nicht mehr unabhängig voneinander, sondern beginnen miteinander zu wechselwirken.“ Für das sichtbare Licht liegt diese Grenze je nach Farbe zwischen rund 200 und 400 nm – und so eng lassen sich auch die Nano-OLED platzieren.
Das Team von Shih konnte in ersten Experimenten mit Hilfe solcher Wechselwirkungen die Richtung des ausgestrahlten Lichts manipulieren. Statt in alle Richtungen über dem Chip strahlen die OLED ihr Licht dann nur noch in ganz bestimmten Winkeln ab. Auch polarisiertes Licht – also Licht, das nur in einer Ebene schwingt – lässt sich mittels Wechselwirkungen erzeugen, wie die Forschenr bereits gezeigt haben. Es wird heute beispielsweise in der Medizin genutzt, um gesundes Gewebe von Krebsgewebe zu unterscheiden.
Bei der Herstellung 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 keramisches Material, wie Oh erläutert: „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“, sagt Oh.