Fabriquer les plus petites LED au monde :la percée nano‑LED de l’ETH Zurich

Electronique et capteurs INSIDER

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

La miniaturisation est le moteur de l’industrie des semi-conducteurs. Les énormes gains de performance des ordinateurs 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. Les ingénieurs chimistes de l'ETH Zurich ont réussi à réduire de plusieurs ordres de grandeur la taille des diodes électroluminescentes organiques (OLED), actuellement utilisées principalement dans les téléphones portables et les écrans de télévision haut de gamme. Leur étude a été récemment publiée dans la revue Nature Photonics .

"Le diamètre des pixels OLED les plus minuscules que nous avons développés jusqu'à présent est de l'ordre de 100 nanomètres, ce qui signifie qu'ils sont environ 50 fois plus petits que l'état actuel de la technique", a déclaré Jiwoo Oh, doctorant actif 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 en collaboration avec Tommaso Marcato. "En une seule étape, la densité maximale de pixels est désormais environ 2 500 fois supérieure à ce qu'elle était auparavant", a déclaré Marcato, qui est actif en tant que postdoctorant dans le groupe de Shih.

A titre de comparaison :jusqu'aux années 2000, le rythme de miniaturisation des processeurs informatiques suivait la loi de Moore, selon laquelle la densité des éléments électroniques doublait tous les deux ans.

Des pixels d’une taille comprise entre 100 et 200 nanomètres constituent la base des écrans ultra haute résolution qui pourraient afficher des images d’une netteté exceptionnelle dans des lunettes portées près de l’œil, par exemple. Pour illustrer cela, l'équipe de chercheurs de Shih a affiché le logo de l'ETH Zurich. Le logo est constitué de 2 800 nano-OLED, de taille similaire à une cellule humaine, 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 de lumière pourraient également aider à se concentrer sur la plage submicrométrique au moyen de microscopes à haute résolution. "Un réseau de nanopixels servant de source de lumière pourrait éclairer les zones les plus infimes d'un échantillon. Les images individuelles pourraient ensuite être assemblées sur un ordinateur pour fournir une image extrêmement détaillée", a déclaré le professeur Shih. Il perçoit également les nanopixels comme de minuscules capteurs potentiels capables de détecter les signaux provenant de cellules nerveuses individuelles.

Ces dimensions infimes ouvrent également des possibilités de recherche et de technologie qui étaient auparavant totalement hors de portée. Selon Marcato :"Lorsque deux ondes lumineuses de la même couleur convergent à moins de la moitié de leur longueur d'onde - ce qu'on appelle la limite de diffraction - elles n'oscillent plus indépendamment l'une de l'autre mais commencent à interagir l'une avec l'autre." Dans le cas de la lumière visible, cette limite se situe selon la couleur entre 200 et 400 nanomètres environ — les nano-OLED développés par les chercheurs de l'ETH peuvent être positionnés aussi près les uns des autres.

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

La lumière polarisée, c'est-à-dire la lumière qui oscille dans un seul plan, peut également être générée par des interactions, comme les chercheurs l'ont déjà démontré. Aujourd'hui, cela est à l'œuvre en médecine, par exemple, pour distinguer les tissus sains des tissus cancéreux.

Les technologies modernes de radio et de radar nous donnent une idée du potentiel de ces interactions. Ils utilisent des longueurs d’onde allant du millimètre au kilomètre et exploitent déjà ces interactions depuis un certain temps. Les agencements dits multiéléments permettent aux antennes ou aux signaux d'émetteur d'être alignés et focalisés avec précision. Dans le domaine optique, de telles technologies pourraient, entre autres, contribuer à accélérer encore la transmission des informations dans les réseaux de données et les ordinateurs.

Le principe de base de l’interaction des vagues peut être parfaitement illustré en jetant deux pierres l’une à côté de l’autre dans un lac lisse comme un miroir. Là où les vagues circulaires se rencontrent, un motif géométrique de crêtes et de creux de vagues est créé. De la même manière, des nano-OLED intelligemment disposés peuvent produire des effets d'ondes optiques dans lesquels la lumière des pixels voisins se renforce ou s'annule mutuellement.

Jusqu'à présent, dans la fabrication des OLED, les molécules électroluminescentes ont ensuite été déposées en phase vapeur sur des puces de silicium. Ceci est réalisé en utilisant des masques métalliques relativement épais, qui produisent des pixels proportionnellement plus grands. Mais comme l'explique Oh, la tendance à la miniaturisation est désormais rendue possible par un matériau céramique spécial :"Le nitrure de silicium peut former des membranes très fines mais résilientes qui ne s'affaissent pas sur des surfaces mesurant seulement quelques millimètres carrés."

Les chercheurs ont ainsi pu créer des modèles pour placer les pixels nano-OLED environ 3 000 fois plus fins. "Notre méthode présente également l'avantage de pouvoir être intégrée directement dans les processus de lithographie standards utilisés pour la production de puces informatiques", a déclaré Oh.

Les nouvelles nanodiodes électroluminescentes ont été développées dans le cadre d'un Consolidator Grant attribué à Shih en 2024 par le Fonds national suisse (FNS). Les chercheurs travaillent actuellement à l’optimisation de leur méthode. Outre la miniaturisation accrue des pixels, l'accent est également mis sur leur contrôle.

"Notre objectif est de connecter les OLED de manière à pouvoir les contrôler individuellement", a déclaré Shih. Ceci est nécessaire pour exploiter tout le potentiel des interactions entre les pixels lumineux. Entre autres choses, des nanopixels contrôlables avec précision pourraient ouvrir la porte à de nouvelles applications d'optiques multiéléments, capables de diriger et de focaliser électroniquement les ondes lumineuses.

Dans les années 1990, il a été postulé que les optiques multiéléments permettraient des projections holographiques à partir d’écrans bidimensionnels. Mais Shih a déjà une longueur d’avance :à l’avenir, des groupes d’OLED en interaction pourraient être regroupés en métapixels et positionnés précisément dans l’espace. "Cela permettrait de réaliser des images 3D autour des spectateurs", a déclaré le chimiste en se tournant vers l'avenir.

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