世界最小の LED の製造:チューリッヒ工科大学のナノ LED のブレークスルー

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有機ナノ発光ダイオードのピクセルアレイは、1 インチあたり 50,000 ピクセルの解像度で ETH ロゴを表示します。 (画像:Jiwoo Oh / ETH Zurich、Nature Photonics)

微細化は半導体産業の原動力となっています。 1950 年代以降、コンピューターのパフォーマンスが大幅に向上したのは、シリコン チップ上にさらに小さな構造を製造できるようになったことが主な原因です。チューリッヒ工科大学の化学技術者らは、現在主に高級携帯電話やテレビ画面に使用されている有機発光ダイオード（OLED）のサイズを数桁縮小することに成功した。彼らの研究は最近、Nature Photonics 誌に掲載されました。 .

「私たちがこれまでに開発した最も微細な OLED ピクセルの直径は 100 ナノメートルの範囲にあります。これは、現在の最先端のものより約 50 倍小さいことを意味します」とETH 教授 Chih-Jen Shih が率いるナノ材料工学研究グループで活躍する博士課程の学生、Jiwoo Oh 氏は述べています。

Oh 氏は、Tommaso Marcato 氏と共同で新しいナノ OLED の製造プロセスを開発しました。 「たった 1 つのステップで、最大ピクセル密度は以前の約 2500 倍になりました」と、Shih のグループのポスドクとして活躍する Marcato 氏は述べています。

比較として:2000 年代まで、コンピュータ プロセッサの小型化ペースはムーアの法則に従っており、電子素子の密度は 2 年ごとに 2 倍になりました。

サイズが 100 ～ 200 ナノメートルのピクセルは、たとえば目の近くに装着した眼鏡に非常に鮮明な画像を表示できる超高解像度スクリーンの基盤を形成します。これを説明するために、Shih の研究チームは ETH Zurich のロゴを表示しました。このロゴは、人間の細胞と同じサイズの 2800 個のナノ OLED で構成されており、各ピクセルのサイズは約 200 ナノメートルです。チューリッヒ工科大学の研究者がこれまでに開発した最小のピクセルは、100 ナノメートルの範囲に達します。

さらに、これらの小さな光源は、高解像度の顕微鏡によってサブマイクロメートルの範囲に焦点を合わせるのにも役立ちます。 「ナノピクセルアレイを光源として使用すると、サンプルの最も微細な領域を照らすことができます。その後、個々の画像をコンピュータ上で組み立てて、非常に詳細な画像を提供することができます」とShih教授は述べた。彼はまた、ナノピクセルが個々の神経細胞からの信号を検出できる可能性のある小さなセンサーであると認識しています。

これらの微細な寸法は、以前はまったく手の届かなかった研究や技術の可能性も開きます。マルカートによれば、「同じ色の 2 つの光波がその波長の半分 (いわゆる回折限界) より近くに集まると、それらはもはや互いに独立して発振するのではなく、相互作用し始めるのです。」可視光の場合、この制限は色に応じて約 200 ～ 400 ナノメートルです。ETH の研究者が開発したナノ OLED は、これほど近くに配置することができます。

初期実験を実施したシー氏のチームは、そのような相互作用を利用して、放射される光の方向を標的を絞った方法で操作することができた。 OLED は、チップ上の全方向に光を放射するのではなく、非常に特定の角度でのみ光を放射します。 「将来的には、ナノ OLED マトリックスからの光を一方向に束ねて、それを利用して強力なミニレーザーを構築することが可能になるでしょう」と Marcato 氏は期待しています。

研究者らがすでに実証しているように、偏光（1 つの平面内でのみ振動する光）も相互作用によって生成できます。現在、これは、たとえば健康な組織と癌性組織を区別するために医学で活用されています。

最新のラジオおよびレーダー技術は、これらの相互作用の可能性についてのアイデアを与えてくれます。彼らはミリメートルからキロメートルの範囲の波長を使用しており、すでにしばらくの間これらの相互作用を利用しています。いわゆるフェーズドアレイ配置により、アンテナまたは送信機信号を正確に位置合わせし、焦点を合わせることができます。光スペクトルでは、このようなテクノロジーは、とりわけ、データ ネットワークやコンピュータでの情報伝送のさらなる加速に役立つ可能性があります。

波が相互作用する基本原理は、鏡のように滑らかな湖に隣り合った 2 つの石を投げ込むことで適切に説明できます。円形の水の波が出会う場所では、波の山と谷の幾何学的なパターンが作成されます。同様に、インテリジェントに配置されたナノ OLED は、隣接するピクセルからの光が相互に強化または打ち消し合う光波効果を生み出すことができます。

これまでの OLED の製造では、発光分子がシリコンチップ上に蒸着されてきました。これは、比較的厚いメタルマスクを使用することで実現され、それに応じて大きなピクセルが生成されます。しかし、Oh 氏が説明したように、現在、小型化への取り組みは特殊なセラミック材料によって可能になっています。「窒化シリコンは、わずか数平方ミリメートルの表面でもたわまない、非常に薄くて弾力のある膜を形成できます。」

その結果、研究者らは、約 3,000 分の 1 の薄さのナノ OLED ピクセルを配置するためのテンプレートを作成することができました。 「私たちの方法には、コンピューター チップの製造に使用される標準的なリソグラフィー プロセスに直接統合できるという利点もあります。」と Oh 氏は述べています。

新しいナノ発光ダイオードは、2024年にスイス国立科学財団（SNSF）からShih氏に授与されたConsolidator Grantの文脈の中で開発された。研究者らは現在、方法の最適化に取り組んでいます。ピクセルのさらなる微細化に加えて、ピクセルの制御にも重点が置かれています。

「私たちの目標は、OLEDを個別に制御できるような方法でOLEDを接続することです」とShih氏は述べた。これは、光ピクセル間の相互作用の可能性を最大限に活用するために必要です。とりわけ、正確に制御可能なナノピクセルは、光波を電子的に操作して焦点を合わせることができるフェーズドアレイ光学の新しい応用への扉を開く可能性があります。

1990 年代には、フェーズド アレイ光学により 2 次元スクリーンからのホログラフィック投影が可能になると仮定されました。しかし、Shih 氏はすでに一歩先を考えています。将来的には、相互作用する OLED のグループがメタピクセルに束ねられ、空間内に正確に配置される可能性があるのです。 「これにより、視聴者の周囲で 3D 画像を実現できるようになります。」と化学者は将来を見据えて言いました。

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