Se fabrica el diodo emisor de luz más pequeño del mundo
El nuevo diafragma cerámico permite una densidad de píxeles 2500 veces mayor
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Investigadores de la ETH de Zúrich fabrican diodos orgánicos emisores de luz (OLED) a nanoescala, es decir, unas cien veces más pequeños que una célula humana. Esto no sólo hace posibles pantallas y microscopios ultranítidos. Los píxeles son tan pequeños que son concebibles nuevos tipos de aplicaciones de óptica de ondas.
La miniaturización es el motor de la industria de los semiconductores. El enorme aumento del rendimiento de los ordenadores desde los años 50 se debe en gran medida a que se pueden fabricar estructuras cada vez más pequeñas en chips de silicio. Ahora, ingenieros químicos de la ETH de Zúrich han logrado reducir en órdenes de magnitud el tamaño de los diodos orgánicos emisores de luz (OLED), que se utilizan sobre todo en teléfonos móviles de alta gama y pantallas de televisión. Su estudio se acaba de publicar en la revista especializada Nature Photonics.
Miniaturizados en un solo paso
Los diodos emisores de luz son chips electrónicos fabricados con materiales semiconductores que convierten la corriente eléctrica en luz. "El diámetro de los píxeles OLED más pequeños que hemos desarrollado hasta la fecha es de unos 100 nanómetros. Esto los hace unas 50 veces más pequeños que el estado actual de la técnica", explica Jiwoo Oh, estudiante de doctorado del grupo de investigación de Ingeniería de Nanomateriales del profesor Chih-Jen Shih, de la ETH.
Oh desarrolló el proceso de fabricación de los nuevos nano-OLED junto con Tommaso Marcato. "La densidad máxima de los píxeles es unas 2.500 veces mayor que antes en un solo paso", añade Marcato, que es postdoctorando en el grupo de Shih.
A modo de comparación: hasta la década de 2000, el ritmo de miniaturización de los procesadores informáticos seguía la Ley de Moore, según la cual la densidad de los elementos electrónicos se duplicaba cada dos años.
Pantallas, microscopios y sensores
Los píxeles de entre 100 y 200 nanómetros son la base de las pantallas de altísima resolución, que podrían mostrar imágenes muy nítidas en gafas cercanas al ojo, por ejemplo. Para ilustrarlo, los investigadores que trabajan con Shih han representado el logotipo de la ETH de Zúrich. Este logotipo de la ETH está formado por 2.800 nano-OLED y tiene un tamaño similar al de una célula humana. Cada uno de sus píxeles mide unos 200 nanómetros (0,2 micrómetros). Hasta la fecha, los píxeles más pequeños de los investigadores del ETH rondan los 100 nanómetros.
Sin embargo, las diminutas fuentes de luz también podrían ayudar a enfocar en el rango submicrométrico utilizando microscopios de alta resolución. "Un campo de nanopíxeles como fuente de luz podría iluminar las zonas más pequeñas de una muestra, y las imágenes individuales podrían unirse en el ordenador para formar una imagen extremadamente detallada", explica el catedrático de Química Técnica. También ve el potencial de los nanopíxeles como sensores diminutos que podrían detectar señales de células nerviosas individuales, por ejemplo.
Los nanopíxeles generan efectos de ondas ópticas
Sin embargo, las pequeñas dimensiones también abren posibilidades para la investigación y la tecnología que antes ni siquiera eran factibles, como subraya Marcato: "Cuando dos ondas luminosas del mismo color se acercan entre sí más de la mitad de su longitud de onda -el llamado límite de difracción- ya no oscilan independientemente una de otra, sino que empiezan a interactuar entre sí". En el caso de la luz visible, este límite se sitúa entre 200 y 400 nanómetros, dependiendo del color, y los nano-OLED de los investigadores del ETH también pueden colocarse a esta distancia.
El principio básico de las ondas que interactúan puede visualizarse lanzando dos piedras contiguas a un lago liso como un espejo. De este modo se crea un patrón geométrico de crestas y depresiones en el punto de encuentro de las ondas circulares. Del mismo modo, los nano-OLED dispuestos de forma inteligente pueden crear efectos de ondas ópticas en los que la luz de los píxeles vecinos se amplifica o anula mutuamente.
Manipulación de la dirección y polarización de la luz
En sus primeros experimentos, el equipo de Shih logró manipular la dirección de la luz emitida con ayuda de estas interacciones. En lugar de emitir luz en todas las direcciones por encima del chip, los OLED sólo la emiten en ángulos muy concretos. "En el futuro, también será posible enfocar la luz de una matriz nano-OLED en una dirección y construir así potentes miniláseres", espera Marcato.
La luz polarizada -es decir, la que sólo oscila en un plano- también puede generarse mediante interacciones, como ya han demostrado los investigadores. Esto se utiliza hoy en medicina, por ejemplo, para distinguir el tejido sano del canceroso.
Las modernas tecnologías de radio y radar dan una idea del potencial de estas interacciones. Utilizan longitudes de onda que van de milímetros a kilómetros y llevan tiempo empleando interacciones. Los llamados phased array permiten alinear y enfocar las antenas o las señales de los transmisores.
En el espectro óptico, estas tecnologías podrían contribuir a acelerar aún más la transmisión de información en redes de datos y ordenadores.
La membrana cerámica marca la diferencia
En la fabricación de los OLED, las moléculas emisoras de luz se han depositado posteriormente mediante vapor sobre los chips de silicio. Para ello se utilizan máscaras metálicas relativamente gruesas que producen píxeles de mayor tamaño.
Ahora es un material cerámico especial el que da el empujón a la miniaturización, como explica Oh: "El nitruro de silicio puede formar membranas muy finas pero resistentes, que no se hunden en superficies del orden del milímetro cuadrado".
Esto permitió a los investigadores producir plantillas unas 3.000 veces más finas para colocar los nanopíxeles OLED. "Nuestro método también tiene la ventaja de que puede integrarse directamente en los procesos litográficos estándar para la producción de chips informáticos", subraya Oh.
Una puerta a nuevas tecnologías
Los nuevos nano diodos emisores de luz se desarrollaron en el marco de una Beca de Consolidación que Shih recibió de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF) en 2024. Actualmente, los investigadores están optimizando su método. Además de miniaturizar aún más los píxeles, el objetivo es controlarlos.
"Nuestro objetivo es interconectar los OLED de forma que podamos controlarlos individualmente", explica Shih. Esto es necesario para aprovechar todo el potencial de las interacciones entre los píxeles luminosos. Entre otras cosas, los nanopíxeles específicamente controlables podrían abrir la puerta a nuevas aplicaciones de la óptica de matriz en fase, que puede utilizarse para dirigir y enfocar electrónicamente las ondas luminosas.
En la década de 1990 se postuló que la óptica phased array permitiría proyecciones holográficas desde pantallas bidimensionales. Shih ya está pensando un paso más allá: algún día, grupos de OLED interactivos podrían agruparse en metapíxeles y colocarse con precisión en el espacio. "Así, por ejemplo, podrían crearse imágenes tridimensionales alrededor del espectador", dice el químico, mirando al futuro.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.
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