Membuat LED Terkecil di Dunia:Terobosan Nano‑LED ETH Zurich

INSIDER Elektronik &Sensor

Rangkaian piksel dioda pemancar cahaya nano organik menampilkan logo ETH dengan resolusi 50,000 piksel per inci. (Gambar:Jiwoo Oh / ETH Zurich; Fotonik Alam)

Miniaturisasi menempati peringkat sebagai kekuatan pendorong di belakang industri semikonduktor. Peningkatan kinerja komputer yang luar biasa sejak tahun 1950-an sebagian besar disebabkan oleh fakta bahwa struktur yang lebih kecil dapat diproduksi menggunakan chip silikon. Insinyur kimia di ETH Zurich kini telah berhasil mengurangi ukuran dioda pemancar cahaya organik (OLED) – yang saat ini terutama digunakan pada ponsel premium dan layar TV – hingga beberapa kali lipat. Studi mereka baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Nature Photonics .

“Diameter piksel OLED paling kecil yang kami kembangkan hingga saat ini berada pada kisaran 100 nanometer, yang berarti piksel tersebut sekitar 50 kali lebih kecil dari teknologi tercanggih saat ini,” kata Jiwoo Oh, mahasiswa doktoral yang aktif dalam kelompok penelitian teknik material nano yang dipimpin oleh Profesor ETH Chih-Jen Shih.

Oh mengembangkan proses pembuatan nano-OLED baru bersama dengan Tommaso Marcato. “Hanya dalam satu langkah, kerapatan piksel maksimum kini sekitar 2500 kali lebih besar dibandingkan sebelumnya,” kata Marcato, yang aktif sebagai postdoc di grup Shih.

Sebagai perbandingan:hingga tahun 2000-an, kecepatan miniaturisasi prosesor komputer mengikuti Hukum Moore, yang menyatakan bahwa kepadatan elemen elektronik meningkat dua kali lipat setiap dua tahun.

Piksel dengan ukuran mulai dari 100 hingga 200 nanometer membentuk fondasi untuk layar beresolusi sangat tinggi yang dapat menampilkan gambar setajam silet, misalnya pada kacamata yang dikenakan di dekat mata. Untuk menggambarkan hal ini, tim peneliti Shih menampilkan logo ETH Zurich. Logo tersebut terdiri dari 2.800 nano-OLED, berukuran serupa dengan sel manusia, dengan masing-masing piksel berukuran sekitar 200 nanometer. Piksel terkecil yang dikembangkan sejauh ini oleh peneliti ETH Zurich mencapai kisaran 100 nanometer.

Selain itu, sumber cahaya kecil ini juga dapat membantu memfokuskan pada rentang sub-mikrometer melalui mikroskop resolusi tinggi. “Rangkaian nano-piksel sebagai sumber cahaya dapat menerangi area sampel yang paling kecil. Gambar-gambar individual kemudian dapat dirakit di komputer untuk menghasilkan gambar yang sangat detail,” kata Profesor Shih. Dia juga menganggap nano-piksel sebagai sensor kecil potensial yang dapat mendeteksi sinyal dari sel saraf individu.

Dimensi kecil ini juga membuka kemungkinan bagi penelitian dan teknologi yang sebelumnya tidak dapat dijangkau. Menurut Marcato:“Ketika dua gelombang cahaya dengan warna yang sama bertemu lebih dekat dari setengah panjang gelombangnya – yang disebut batas difraksi – mereka tidak lagi berosilasi secara independen satu sama lain tetapi mulai berinteraksi satu sama lain.” Dalam hal cahaya tampak, batas ini berkisar antara 200 dan 400 nanometer, bergantung pada warnanya — nano-OLED yang dikembangkan oleh peneliti ETH dapat diposisikan sedekat ini.

Saat melakukan percobaan awal, tim Shih mampu menggunakan interaksi tersebut untuk memanipulasi arah cahaya yang dipancarkan dengan cara yang ditargetkan. Alih-alih memancarkan cahaya ke segala arah di atas chip, OLED hanya memancarkan cahaya pada sudut yang sangat spesifik. “Di masa depan, cahaya dari matriks nano-OLED dapat digabungkan dalam satu arah dan dimanfaatkan untuk membuat laser mini yang kuat,” harap Marcato.

Cahaya terpolarisasi – cahaya yang berosilasi hanya pada satu bidang – juga dapat dihasilkan melalui interaksi, seperti yang telah ditunjukkan oleh para peneliti. Saat ini, hal ini berfungsi dalam bidang kedokteran, misalnya, untuk membedakan jaringan sehat dari jaringan kanker.

Teknologi radio dan radar modern memberi kita gambaran tentang potensi interaksi ini. Mereka menggunakan panjang gelombang mulai dari milimeter hingga kilometer dan telah memanfaatkan interaksi ini selama beberapa waktu. Apa yang disebut pengaturan array bertahap memungkinkan antena atau sinyal pemancar disejajarkan dan difokuskan secara tepat. Dalam spektrum optik, teknologi tersebut antara lain dapat membantu mempercepat transmisi informasi di jaringan data dan komputer.

Prinsip dasar interaksi gelombang dapat diilustrasikan dengan tepat dengan melemparkan dua batu bersebelahan ke dalam danau sehalus cermin. Dimana gelombang air melingkar bertemu, pola geometris puncak dan lembah gelombang tercipta. Dengan cara serupa, nano-OLED yang disusun secara cerdas dapat menghasilkan efek gelombang optik di mana cahaya dari piksel di dekatnya saling memperkuat atau menghilangkan satu sama lain.

Dalam pembuatan OLED hingga saat ini, molekul pemancar cahaya kemudian diendapkan uapnya ke dalam chip silikon. Hal ini dicapai dengan menggunakan masker logam yang relatif tebal, yang menghasilkan piksel lebih besar. Namun seperti yang dijelaskan Oh, dorongan menuju miniaturisasi kini dimungkinkan oleh bahan keramik khusus:"Silikon nitrida dapat membentuk membran yang sangat tipis namun tangguh yang tidak melorot pada permukaan berukuran hanya beberapa milimeter persegi."

Hasilnya, para peneliti mampu menghasilkan templat untuk menempatkan piksel nano-OLED yang sekitar 3.000 kali lebih tipis. “Metode kami juga memiliki keunggulan yaitu dapat diintegrasikan langsung ke dalam proses litografi standar yang digunakan untuk produksi chip komputer,” kata Oh.

Dioda pemancar cahaya nano baru dikembangkan dalam konteks Hibah Konsolidator yang diberikan kepada Shih pada tahun 2024 oleh Swiss National Science Foundation (SNSF). Para peneliti saat ini sedang berupaya mengoptimalkan metode mereka. Selain miniaturisasi piksel lebih lanjut, fokusnya juga pada pengendaliannya.

“Tujuan kami adalah menghubungkan OLED sedemikian rupa sehingga kami dapat mengontrolnya satu per satu,” kata Shih. Hal ini diperlukan untuk memanfaatkan potensi penuh interaksi antara piksel cahaya. Antara lain, piksel nano yang dapat dikontrol secara tepat dapat membuka pintu bagi aplikasi baru optik array bertahap, yang dapat mengarahkan dan memfokuskan gelombang cahaya secara elektronik.

Pada tahun 1990-an, dipostulasikan bahwa optik array bertahap akan memungkinkan proyeksi holografik dari layar dua dimensi. Namun Shih sudah berpikir satu langkah ke depan:di masa depan, kelompok OLED yang berinteraksi dapat digabungkan menjadi meta-piksel dan diposisikan secara tepat di ruang angkasa. "Ini akan memungkinkan gambar 3D diwujudkan di sekitar pemirsa," kata ahli kimia tersebut, dengan pandangan ke masa depan.

Sumber