Créer les plus petites LED au monde : La percée nano-LED de l'ETH Zurich

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Un réseau de pixels de diodes électroluminescentes organiques nano affiche le logo ETH avec une résolution de 50 000 pixels par pouce. (Image : Jiwoo Oh / ETH Zurich ; Nature Photonics)

La miniaturisation est la force motrice derrière l'industrie des semi-conducteurs. Les gains tremineux en performance informatique depuis les années 1950 sont largement dus au fait que des structures de plus en plus petites peuvent être fabriquées sur des puces de silicium. Des ingénieurs chimistes de l'ETH Zurich ont maintenant réussi à réduire la taille des diodes électroluminescentes organiques (OLED) — actuellement utilisées principalement dans les téléphones mobiles et écrans TV premium — de plusieurs ordres de grandeur. Leur étude a été récemment publiée dans la revue Nature Photonics.

« Le diamètre des pixels OLED les plus minuscules que nous ayons développés à ce jour est dans la gamme de 100 nanomètres, ce qui signifie qu'ils sont environ 50 fois plus petits que l'état de l'art actuel », a dit Jiwoo Oh, doctorante active dans le groupe de recherche en ingénierie des nanomatériaux dirigé par le professeur Chih-Jen Shih de l'ETH.

Oh a développé le processus de fabrication des nouveaux nano-OLED avec Tommaso Marcato. « En une seule étape, la densité de pixels maximale est maintenant environ 2500 fois plus grande qu'avant », a dit Marcato, qui est actif en tant que postdoc dans le groupe de Shih.

Pour comparer : jusqu'aux années 2000, le rythme de miniaturisation des processeurs informatiques suivait la Loi de Moore, selon laquelle la densité d'éléments électroniques doublait tous les deux ans.

Des pixels allant de 100 à 200 nanomètres forment la base pour des écrans à ultra-haute résolution qui pourraient afficher des images d'une netteté rasoir dans des lunettes portées près de l'œil, par exemple. Pour illustrer cela, l'équipe de Shih a affiché le logo de l'ETH Zurich. Le logo consiste en 2800 nano-OLED, similaires en taille à une cellule humaine, avec chacun de ses pixels mesurant environ 200 nanomètres. Les plus petits pixels développés jusqu'à présent par les chercheurs de l'ETH Zurich atteignent la gamme de 100 nanomètres.

De plus, ces minuscules sources lumineuses pourraient aussi aider à se concentrer sur la gamme sub-micrométrique au moyen de microscopes à haute résolution. « Un réseau de nano-pixels comme source de lumière pourrait illuminer les zones les plus minuscules d'un échantillon. Les images individuelles pourraient ensuite être assemblées sur un ordinateur pour livrer une image extrêmement détaillée », a dit le Professeur Shih. Il perçoit aussi les nano-pixels comme de minuscules capteurs potentiels qui pourraient détecter des signaux de cellules nerveuses individuelles.

Ces dimensions minuscules ouvrent aussi des possibilités pour la recherche et la technologie qui étaient auparavant entièrement hors de portée. Selon Marcato : « Quand deux ondes lumineuses de la même couleur convergent plus près que la moitié de leur longueur d'onde — la soi-disant limite de diffraction — elles n'oscillent plus indépendamment l'une de l'autre mais commencent à interagir. » Dans le cas de la lumière visible, cette limite est entre environ 200 et 400 nanomètres, selon la couleur — les nano-OLED développés par les chercheurs de l'ETH peuvent être positionnés aussi près l'un de l'autre.

En menant des expériences initiales, l'équipe de Shih a pu utiliser de telles interactions pour manipuler la direction de la lumière émise de manière ciblée. Au lieu d'émettre de la lumière dans toutes les directions au-dessus de la puce, les OLED n'émettent alors de la lumière qu'à des angles très spécifiques. « À l'avenir, il sera possible de regrouper la lumière d'une matrice de nano-OLED dans une direction et de l'exploiter pour construire de puissants mini-lasers », s'attend Marcato.

La lumière polarisée — lumière qui oscille dans un seul plan — peut aussi être générée par le biais d'interactions, comme les chercheurs l'ont déjà démontré. Aujourd'hui, cela est au travail en médecine, par exemple, pour distinguer les tissus sains des tissus cancéreux.

Les technologies radio et radar modernes nous donnent une idée du potentiel de ces interactions. Elles utilisent des longueurs d'onde allant des millimètres aux kilomètres et exploitent déjà ces interactions depuis un certain temps. Les arrangements de phased array (réseau phasé) permettent d'aligner et de focaliser précisément les antennes ou signaux d'émetteur. Dans le spectre optique, de telles technologies pourraient, entre autres, aider à accélérer davantage la transmission d'informations dans les réseaux de données et les ordinateurs.

Le principe de base des ondes interactives peut être illustré à propos en jetant deux pierres côte à côte dans un lac miroir. Là où les ondes circulaires d'eau se rencontrent, un motif géométrique de crêtes et de creux d'ondes est créé. De manière similaire, des nano-OLED intelligemment arrangés peuvent produire des effets d'ondes optiques dans lesquels la lumière des pixels voisins se renforce ou s'annule mutuellement.

Dans la fabrication d'OLED à ce jour, les molécules émettrices de lumière ont été déposées par vaporisation sur des puces de silicium. Cela est réalisé en utilisant des masques métalliques relativement épais, qui produisent des pixels correspondamment plus grands. Mais comme l'a expliqué Oh, la poussée vers la miniaturisation est maintenant rendue possible par un matériau céramique spécial : « Le nitrure de silicium peut former des membranes très minces mais résistantes qui ne s'affaissent pas sur des surfaces mesurant seulement quelques millimètres carrés. »

Par conséquent, les chercheurs ont pu produire des masques pour placer les pixels nano-OLED qui sont environ 3000 fois plus minces. « Notre méthode a aussi l'avantage qu'elle peut être intégrée directement dans les processus de lithographie standard utilisés pour la production de puces informatiques », a dit Oh.

Les nouvelles diodes électroluminescentes nano ont été développées dans le cadre d'une Consolidator Grant accordée à Shih en 2024 par le Fonds National Suisse de la Recherche Scientifique (FNS). Les chercheurs travaillent actuellement à l'optimisation de leur méthode. En plus de la miniaturisation supplémentaire des pixels, l'accent est aussi mis sur leur contrôle.

« Notre but est de connecter les OLED de manière à pouvoir les contrôler individuellement », a dit Shih. C'est nécessaire pour exploiter le plein potentiel des interactions entre les pixels de lumière. Entre autres choses, des nano-pixels précisément contrôlables pourraient ouvrir la porte à de nouvelles applications d'optique à réseau phasé, qui peuvent diriger et focaliser électroniquement les ondes lumineuses.

Dans les années 1990, il a été postulé que l'optique à réseau phasé permettrait des projections holographiques depuis des écrans bidimensionnels. Mais Shih pense déjà une étape plus loin : à l'avenir, des groupes d'OLED interactifs pourraient être regroupés en méta-pixels et positionnés précisément dans l'espace. « Cela permettrait de réaliser des images 3D autour des observateurs », a dit le chimiste, avec un regard vers l'avenir.

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