Les écrans sont de plus en plus petits et de plus en plus nets. On le constate par exemple dans les lunettes de réalité augmentée ou dans les viseurs électroniques des appareils photo, dont certains ont une diagonale d’écran inférieure à un centimètre.
Toutefois, plus les pixels d’un écran sont petits, plus leur fabrication est difficile. Les diodes électroluminescentes organiques (OLED) sont très prometteuses pour des pixels particulièrement petits. Contrairement aux diodes électroluminescentes conventionnelles, elles ne sont pas constituées de cristaux, mais de composés à base de carbone. Alors que les diodes électroluminescentes classiques perdent en luminosité à mesure que les cristaux sont découpés plus finement, les matériaux électroluminescents organiques permettent de produire des pixels minuscules mais lumineux.
Jusqu’à présent, les matériaux électroluminescents organiques n’étaient pas adaptés aux procédés de fabrication de haute précision utilisés dans l’industrie des semi-conducteurs. La photolithographie employée dans ce secteur fait appel à des solvants et à d’autres produits chimiques qui attaquent et dégradent chimiquement les molécules organiques.
Des photorésines pour la lithographie
Des chercheurs de l’ETH Zurich sont désormais parvenus à rendre des molécules luminescentes organiques compatibles avec la photolithographie : ils ont produit des polymères luminescents de différentes couleurs qui font office de photorésines tout en résistant à des conditions chimiques agressives. Ces polymères peuvent être appliqués sur une puce semi-conductrice. Les propriétés de la photorésine se réticulent sous l’exposition à la lumière UV, ce qui permet de créer des structures géométriques à échelle fine.
« Nous avons développé une nouvelle classe de molécules à longue chaîne qui peuvent être transformées en pixels OLED par exposition directe à la lumière », explique Yinyin Bao, qui a mené ses recherches à l’ETH Zurich et est aujourd’hui professeur à l’université d’Helsinki. Il a dirigé ces travaux avec le professeur de l’ETH Chih-Jen Shih.
Une coque protectrice, un cœur luminescent
Pour protéger les molécules luminescentes sensibles des produits chimiques agressifs, les chercheurs ont développé un complexe moléculaire fondé sur le principe cœur-coque : en son centre se trouve la molécule émettrice de couleur. Autour d’elle sont disposés des bras en forme d’étoile, dont les extrémités réagissent à la lumière UV. Sous l’effet de la lumière, ils se réticulent avec les bras d’autres étoiles. Le matériau devient ainsi insoluble dans cette zone, une propriété exploitée en photolithographie.
La partie interne des bras remplit elle aussi une fonction importante : elle maintient les extrémités réactives à distance de la molécule luminescente et la protège ainsi. Un coauteur de l’étude, de l’université RMIT à Melbourne, a approfondi cet effet protecteur au moyen de simulations informatiques.
« Nous séparons spatialement les deux fonctions », explique le professeur de l’ETH Shih. « La molécule émettrice de lumière est protégée à l’intérieur, tandis que les groupes réticulables réactifs se trouvent à l’extérieur. Cela permet à la photorésine de réagir pendant la lithographie sans endommager significativement le cœur électroluminescent. »
L’image fluorescente multicolore la plus haute résolution à ce jour
Les chercheurs ont démontré avec quelle précision différents matériaux luminescents de couleurs différentes peuvent être structurés par cette méthode, à l’aide d’une image test de haute résolution : ils ont produit l’image d’un ara macao mesurant 300 par 430 micromètres et composée de 250 par 350 pixels. Il s’agit d’une image statique constituée de couleurs fluorescentes – autrement dit, ce n’est pas encore un écran. Dans cette image, les pixels ne sont pas amenés à briller par voie électrique, mais sont excités par une lumière externe, ce qui les fait fluorescer. Cette image est l’image multicolore de plus haute résolution à ce jour constituée de couleurs fluorescentes et réalisée par photolithographie.
Les chercheurs ont montré, à l’aide d’une autre image test, que la méthode permet aussi de produire des diodes électroluminescentes alimentées électriquement : un logo de l’ETH lumineux mesurant 1 par 2,4 millimètres. Celui-ci a été développé en collaboration avec le groupe dirigé par Hua Wang, professeur d’électronique à l’ETH Zurich.
Les chercheurs souhaitent désormais réduire encore la taille des pixels des diodes électroluminescentes. Pour aboutir finalement à un écran fonctionnel, il faut encore une électronique permettant de commander les pixels individuellement, indépendamment les uns des autres.
Shih voit des applications potentielles non seulement dans les petits écrans, mais aussi dans de minuscules sources lumineuses pour la technologie médicale et dans des appareils destinés à la recherche biologique et neuroscientifique. « Nous pouvons ainsi générer de la lumière à petite échelle et avec une grande précision, exactement là où elle est nécessaire », explique Shih. De minuscules OLED pourraient par exemple être utilisées dans des équipements de recherche pour examiner de manière ciblée des cellules biologiques individuelles ou pour stimuler par la lumière des cellules nerveuses dans une boîte de Petri. Des sources lumineuses très petites et précisément contrôlables pourraient ainsi être produites directement sur des micropuces et pourraient également être utiles en microscopie et dans les capteurs.
Article : Electroluminescent photoresists extending lithographic scaling to OLEDs. – Journal : Nature – DOI : Lien vers l’étude
Source : ETH Zurich
