Группа физиков раздвинула границы возможного в плане размера пикселей дисплея и предложила новый подход, который может изменить будущее носимой оптики. Фото: Shutterstock

Физики из Вюрцбургского университета имени Юлиуса и Максимилиана разработали самый маленький в мире светоизлучающий пиксель, что стало прорывом в области создания сверхкомпактных дисплеев для смарт-очков и других носимых устройств.

Умные очки, или очки, которые могут проецировать цифровую информацию прямо в поле зрения пользователя, часто считаются краеугольным камнем будущих носимых технологий. Однако до сих пор прогресс сдерживался громоздкими компонентами и оптическими ограничениями, которые не позволяли эффективно излучать свет, когда пиксели уменьшались до размеров одной длины волны.

Исследователи из Вюрцбургского университета имени Юлиуса и Максимилиана (JMU) совершили прорыв в создании ярких сверхкомпактных дисплеев. С помощью оптических антенн они разработали самый маленький из когда-либо созданных светоизлучающих пикселей. Работа, проведённая 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 на органический светодиод, одновременно усиливая и излучая генерируемый свет, мы создали пиксель для оранжевого света размером всего 300 на 300 нанометров. Этот пиксель такой же яркий, как обычный пиксель OLED с нормальными размерами 5 на 5 микрометров», — говорит Берт Хехт, описывая ключевой результат исследования. Для сравнения: нанометр — это одна миллионная часть миллиметра.

Это означает, что дисплей или проектор с разрешением 1920 x 1080 пикселей легко поместится на площади всего в один квадратный миллиметр. Это, например, позволяет встроить дисплей в дужки очков, откуда генерируемый свет будет проецироваться на линзы.

OLED-дисплей состоит из нескольких ультратонких органических слоёв, расположенных между двумя электродами. Когда через этот слой проходит ток, 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 чёрный цвет, яркие цвета и эффективное управление энергопотреблением в портативных устройствах 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 таких маленьких размерах. «Как и в случае с громоотводом, простое уменьшение размера существующей концепции OLED-дисплеев привело бы к тому, что токи исходили бы в основном из углов антенны», — говорит Йенс Пфлаум, описывая физические принципы. Эта антенна из золота будет иметь форму параллелепипеда со сторонами 300 на 300 на 50 нанометров.

«Возникающие в результате электрические поля создают настолько сильные силы, что атомы золота, становясь подвижными, постепенно превращаются в оптически активный материал», — продолжает Пфлаум. Эти ультратонкие структуры, также известные как «филаменты», продолжают расти до тех пор, пока пиксель не будет разрушен в результате короткого замыкания.

Следующий шаг: Повышение эффективности

Структура, разработанная в Вюрцбурге, содержит новый, специально изготовленный изоляционный слой поверх оптической антенны, в котором остаётся только круглое отверстие диаметром 200 нанометров в центре антенны. Такое расположение блокирует токи, которые могут возникать по краям и в углах, что обеспечивает надёжную и долговечную работу наносветодиода. В таких условиях нити больше не могут образовываться. «Даже первые нанопиксели оставались стабильными в течение двух недель при нормальных условиях окружающей среды», — говорит Берт Хехт, описывая полученный результат.

На следующих этапах физики хотят ещё больше повысить эффективность с нынешнего уровня в один процент и расширить цветовую гамму до спектрального диапазона RGB. Тогда практически ничто не будет препятствовать появлению нового поколения миниатюрных дисплеев «сделано в Вюрцбурге». Благодаря этой технологии дисплеи и проекторы в будущем могут стать настолько маленькими, что их можно будет практически незаметно интегрировать в носимые на теле устройства — от оправ для очков до контактных линз.