Хората искат екраните на техните устройства да бъдат по-ясни и по-ярки. За да се постигне това, пикселите трябва да стават все по-малки. Това е особено актуално за устройствата с добавена и виртуална реалност (AR/VR), където екранът е разположен близо до очите и видимите пиксели значително нарушават потапянето в реалността.

И тук възниква проблемът. Когато пикселът на базата на органичен светодиод (OLED) се намали до наноразмер, той спира да работи както трябва. Неговата ефективност намалява, яркостта спада и той бързо се поврежда. Причината за това се крие във физиката на електрическото поле.

Проблемът с острите краища

Обикновеният OLED пиксел се състои от няколко слоя органични материали между два електрода. Когато подадете напрежение, единият електрод (анод) инжектира положително заредени „дупки“, а другият (катод) – отрицателно заредени електрони. Те се срещат в средния, емисионен слой, рекомбинират и излъчват светлина.

В един голям пиксел това работи отлично. Но когато го смалите до размер, да речем, 300 на 300 нанометра, в игра влизат граничните ефекти. Краищата на наноелектрода стават изключително остри в атомарен мащаб. Всеки физик ще ви каже, че електрическот поле се концентрира именно на острите проводими ръбове, създавайки зони с изключително висока интензивност.

А това води до две негативни последици:

• Неравномерно подаване на зарядите. Токът започва да тече основно през тези точки по краищата, а не през цялата повърхност на пиксела. Поради това по-голямата част от енергията се превръща в топлина, а не в светлина.
• Образуване на метални нишки. Силното поле изтръгва атомите на метала от електрода. От тях израстват тънки нишки. Когато нишката достигне втория електрод, се получава късо съединение. Пикселът спира да работи.

Дълго време тази бариера пречеше на производството на OLED дисплеи с много малки пиксели.

Но учени от Университета във Вюрцбург предложиха метод, който ще помогне за тяхното създаване.

Ами ако просто изолираме краищата?

Вместо да се борят с острите краища, изследователите решиха да ги неутрализират. Те са взели златен наноелектрод и са го покрили изцяло с тънък слой диелектрик – материал, който не провежда електрическия ток.

След това в средата на това покритие са направили малка дупка, наречена наноапертура.

Какво се променя с това? Сега токът не може да тече през проблемните ръбове, защото те са затворени. Единственият път за зарядите е през равната повърхност на златото в центъра на отверстието. На това място електрическото поле е еднородно и контролируемо.

От идеята до работещия нанопиксел

За да тества метода, екипът създава тестови устройства. Те сравняват работата на конвенционалните наноелектроди и новите с изолационно покритие и отвор.

В крайна сметка устройството без защитен слой се е повредило след три минути поради нарастване на металните нишки. Устройството с наноотвор работило стабилно през всичките 30 минути на експеримента. От общо 33 изработени пиксела 30 броя са показали почти еднаква и стабилна работа. Това показва, че технологията е добре възпроизводима.

След това учените сглобяват пълноценна нано-OLED матрица с размер на пиксела 300 на 300 нанометра.

Новият пиксел демонстрира висока яркост, сравнима с тази на търговските екрани, и добра ефективност. За толкова малък прототип това е отлично представяне. Пикселът също така се включва и изключва много бързо, по-бързо от необходимото за видео.

Но все още оставаше още едно нещо, което трябваше да се вземе предвид. Създаването на светлина е половината от битката. Как ефективно да я пуснете от такава малка структура? И тук се намесва друг аспект на това изследване.

Допълнителен компонент: плазмонната антена

Изборът на злато за долния електрод не е случаен. В наномащаб структурираният метал вече не е просто проводник. Той се превръща в плазмонна наноантена.

Плазмоните са колективните вибрации на електроните в метала. Когато светлината, породена в органичния слой, взаимодейства със златната наноструктура, тя разтърсва тези електронни трептения. На свой ред тази „разклатена“ антена много ефективно преизлъчва енергия под формата на светлина в околното пространство.

Всъщност златният наноелектрод изпълнява двойна функция: той служи като стабилен контакт и в същото време е антена, която насочва и ефективно излъчва генерираната светлина. По този начин се решава проблемът с ниското светлинно излъчване, характерно за наноразмерните източници.

Какви са перспективите?

Това научно откритие бележи нов пробив в нанотехнологиите, тъй като учените създадоха най-малкия пиксел, постиган някога. Дълго време физическите бариери и технологичните предизвикателства правеха това невъзможно, ограничавайки развитието на дисплеите. Ето че сега става ясно защо пиксел технологията е срещала толкова трудности на това ниво и как новият метод най-накрая заобикаля тези проблеми, отваряйки вратата за изцяло ново поколение екрани и сензори.

Тази изследователска работа показва работещ начин за преодоляване на основната пречка пред създаването на дисплеи със свръхплътни пиксели. Което вероятно ще доведе до създаването и пускането в търговската мрежа на стабилни и ярки светодиоди с размери, считани досега за непрактични.