Pesquisadores da ETH Zurich fabricaram diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) em nanoescala – cerca de cem vezes menores que uma célula humana. Isso não só possibilita telas e microscópios ultranítidos, como também abre possibilidades totalmente novas para aplicações em óptica ondulatória, graças ao tamanho extremamente diminuto dos pixels.
O logotipo da ETH Zurich é composto por 2.800 nanodiodos emissores de luz e, com uma altura de 20 micrômetros, corresponde ao tamanho de uma célula humana. Um único pixel mede cerca de 0,2 micrômetros (200 nanômetros). (Imagem: Amanda Paganini / ETH Zurich)
Um processo desenvolvido na ETH Zurich permite a miniaturização em larga escala de diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) em uma única etapa.
As fontes de luz agora são menores que o comprimento de onda da luz emitida, permitindo um controle preciso da direção e da polarização da luz.
Além de mini telas e biossensores, aplicações em transmissão óptica de dados, holografia ou como minúsculos lasers também são concebíveis.
A miniaturização é a principal força motriz da indústria de semicondutores. Os enormes ganhos no desempenho dos computadores desde a década de 1950 devem-se, em grande parte, ao fato de que estruturas cada vez menores podem ser fabricadas em chips de silício. Engenheiros químicos da ETH Zurich conseguiram reduzir o tamanho dos diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) — atualmente utilizados principalmente em celulares premium e telas de TV — em várias ordens de magnitude. O estudo foi publicado recentemente na revista científica [inserir nome da revista aqui].página externaFotônica da Natureza.
Miniaturizado em uma única etapa
Os diodos emissores de luz (OLEDs) são chips eletrônicos feitos de materiais semicondutores que convertem corrente elétrica em luz. "O diâmetro dos menores pixels de OLED que desenvolvemos até hoje está na faixa de 100 nanômetros, o que significa que eles são cerca de 50 vezes menores do que os da tecnologia atual", explica Jiwoo Oh, doutorando atuante no grupo de pesquisa em engenharia de nanomateriais liderado pelo professor Chih-Jen Shih, da ETH Zurich.
Oh desenvolveu o processo de fabricação dos novos nano-OLEDs juntamente com Tommaso Marcato. "Em apenas uma única etapa, a densidade máxima de pixels agora é cerca de 2500 vezes maior do que antes", acrescenta Marcato, que atua como pós-doutorando no grupo de Shih.
A título de comparação: até os anos 2000, o ritmo de miniaturização dos processadores de computador seguia a Lei de Moore, segundo a qual a densidade dos elementos eletrônicos dobrava a cada dois anos.
Telas, microscópios e sensores
Por um lado, pixels com tamanhos entre 100 e 200 nanômetros formam a base para telas de altíssima resolução que poderiam exibir imagens extremamente nítidas em óculos usados próximos aos olhos, por exemplo. Para ilustrar isso, a equipe de pesquisadores de Shih exibiu o logotipo da ETH Zurich. Este logotipo da ETH é composto por 2.800 nano-OLEDs e tem um tamanho semelhante ao de uma célula humana, com cada um de seus pixels medindo cerca de 200 nanômetros (0,2 micrômetros). Os menores pixels desenvolvidos até agora pelos pesquisadores da ETH Zurich chegam à faixa de 100 nanômetros.
Além disso, essas minúsculas fontes de luz também poderiam ajudar a focar na faixa submicrométrica por meio de microscópios de alta resolução. "Uma matriz de nanopixels como fonte de luz poderia iluminar as áreas mais minúsculas de uma amostra – as imagens individuais poderiam então ser reunidas em um computador para fornecer uma imagem extremamente detalhada", explica o professor de química técnica. Ele também vê os nanopixels como potenciais sensores minúsculos que poderiam detectar sinais de células nervosas individuais, por exemplo.
Nanopixels gerando efeitos de ondas ópticas
Essas dimensões minúsculas também abrem possibilidades para pesquisa e tecnologia que antes estavam totalmente fora de alcance, como enfatiza Marcato: "Quando duas ondas de luz da mesma cor convergem a uma distância menor que metade do seu comprimento de onda – o chamado limite de difração – elas deixam de oscilar independentemente uma da outra e começam a interagir entre si." No caso da luz visível, esse limite situa-se entre 200 e 400 nanômetros, dependendo da cor – e os nano-OLEDs desenvolvidos pelos pesquisadores da ETH podem ser posicionados a essa distância.
O princípio básico da interação de ondas pode ser bem ilustrado lançando duas pedras lado a lado em um lago de águas lisas como um espelho. No ponto de encontro das ondas circulares, cria-se um padrão geométrico de cristas e vales.
De maneira semelhante, nano-OLEDs dispostos de forma inteligente podem produzir efeitos de ondas ópticas nos quais a luz de pixels vizinhos se reforça ou se cancela mutuamente.
Manipulação da direção e polarização da luz
Realizando experimentos iniciais, a equipe de Shih conseguiu usar essas interações para manipular a direção da luz emitida de forma precisa. Em vez de emitir luz em todas as direções acima do chip, os OLEDs passam a emitir luz apenas em ângulos muito específicos. "No futuro, também será possível concentrar a luz de uma matriz de nano-OLEDs em uma direção e utilizá-la para construir mini lasers potentes", prevê Marcato.
A luz polarizada – que é a luz que oscila em apenas um plano – também pode ser gerada por meio de interações, como os pesquisadores já demonstraram. Hoje, isso é utilizado na medicina, por exemplo, para distinguir tecido saudável de tecido canceroso.
As modernas tecnologias de rádio e radar nos dão uma ideia do potencial dessas interações. Elas utilizam comprimentos de onda que variam de milímetros a quilômetros e já vêm explorando essas interações há algum tempo. Os chamados arranjos de antenas em fase permitem que as antenas ou os sinais do transmissor sejam alinhados e focalizados com precisão.
No espectro óptico, essas tecnologias poderiam, entre outras coisas, ajudar a acelerar ainda mais a transmissão de informações em redes de dados e computadores.
Membranas cerâmicas fazem toda a diferença
Na fabricação de OLEDs até o momento, as moléculas emissoras de luz têm sido depositadas posteriormente por deposição de vapor sobre os chips de silício. Isso é conseguido utilizando máscaras metálicas relativamente espessas, que produzem pixels correspondentemente maiores.
Como explica Oh, o impulso em direção à miniaturização está sendo viabilizado por um material cerâmico especial: "O nitreto de silício pode formar membranas muito finas, porém resistentes, que não cedem em superfícies com apenas alguns milímetros quadrados."
Consequentemente, os pesquisadores conseguiram produzir moldes para posicionar os pixels nano-OLED que são cerca de 3.000 vezes mais finos. "Nosso método também tem a vantagem de poder ser integrado diretamente aos processos de litografia padrão para a produção de chips de computador", como destaca Oh.
Abrindo as portas para novas tecnologias
Os novos nanodiodos emissores de luz foram desenvolvidos no âmbito de uma bolsa de consolidação concedida a Shih em 2024 pela Fundação Nacional de Ciência Suíça (SNSF). Os pesquisadores estão atualmente trabalhando na otimização do método. Além da miniaturização dos pixels, o foco também está no seu controle.
"Nosso objetivo é conectar os OLEDs de forma que possamos controlá-los individualmente", relata Shih. Isso é necessário para aproveitar todo o potencial das interações entre os pixels de luz. Entre outras coisas, nanopixels controláveis com precisão podem abrir caminho para novas aplicações da óptica de matrizes de fase, que pode direcionar e focalizar ondas de luz eletronicamente.
Na década de 1990, postulou-se que a óptica de matrizes de fase permitiria projeções holográficas em telas bidimensionais. Mas Shih já está pensando um passo à frente: no futuro, grupos de OLEDs interagindo entre si poderão ser agrupados em metapixels e posicionados com precisão no espaço. "Isso permitiria a criação de imagens 3D ao redor dos espectadores", afirma o químico, com um olhar voltado para o futuro.
Fonte: ETH Zurich
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