Daniel Meierhans
La miniaturisation constitue la force motrice de l’industrie des semi-conducteurs. Les gains considérables en performance informatique depuis les années 1950 sont largement dus au fait que des structures toujours plus petites peuvent être fabriquées sur les puces de silicium. Des ingénieurs chimistes de l’ETH Zurich ont maintenant réussi à réduire la taille des diodes électroluminescentes organiques (OLED) – actuellement principalement utilisées dans les téléphones mobiles haut de gamme et les écrans de télévision – de plusieurs ordres de grandeur.
Miniaturisées en une seule étape
Les diodes électroluminescentes sont des puces électroniques constituées de matériaux semi-conducteurs qui convertissent le courant électrique en lumière. « Le diamètre des pixels OLED les plus infimes que nous ayons développés à ce jour se situe dans la gamme des 100 nanomètres, ce qui signifie qu’ils sont environ 50 fois plus petits que l’état actuel de la technique« , précise Jiwoo Oh, doctorant actif dans le groupe de recherche en ingénierie des nanomatériaux dirigé par le professeur ETH Chih-Jen Shih.
Oh a développé le procédé de fabrication des nouvelles nano-OLED avec Tommaso Marcato. « En une seule étape, la densité maximale de pixels est désormais environ 2500 fois plus élevée qu’auparavant« , complète Marcato, qui travaille comme postdoctorant dans le groupe de Shih.
À 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.
Écrans, microscopes et capteurs
D’une part, les pixels de taille comprise entre 100 et 200 nanomètres constituent la base pour des écrans à ultra-haute résolution qui pourraient afficher des images extrêmement nettes dans des lunettes portées près de l’œil, par exemple. Pour illustrer cela, l’équipe de chercheurs a affiché le logo de l’ETH Zurich. Ce logo ETH est composé de 2 800 nano-OLED et a une taille similaire à une cellule humaine, chacun de ses pixels mesurant environ 200 nanomètres (0,2 micromètre). Les plus petits pixels développés jusqu’à présent par les chercheurs de l’ETH atteignent la gamme des 100 nanomètres.
De plus, ces minuscules sources lumineuses pourraient également aider à se concentrer sur la gamme sub-micrométrique grâce à des microscopes à haute résolution. « Un réseau de nano-pixels comme source lumineuse 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« , explique le professeur de chimie technique. Il perçoit également les nano-pixels comme de potentiels minuscules capteurs qui pourraient détecter des signaux provenant de cellules nerveuses individuelles, par exemple.
Nano-pixels générant des effets d’ondes optiques
Ces dimensions infimes ouvrent également des possibilités pour la recherche et la technologie qui étaient auparavant totalement hors de portée, comme le souligne Marcato : Lorsque deux ondes lumineuses de même couleur convergent à une distance inférieure à la moitié de leur longueur d’onde – la limite dite de diffraction – elles n’oscillent plus indépendamment l’une de l’autre, mais commencent à interagir entre elles. Dans le cas de la lumière visible, cette limite se situe entre environ 200 et 400 nanomètres, selon la couleur – et les nano-OLED développées par les chercheurs de l’ETH peuvent être positionnées aussi proches les unes des autres.
Le principe de base des ondes interactives peut être bien illustré en jetant deux pierres côte à côte dans un lac au miroir lisse. Là où les ondes circulaires de l’eau se rencontrent, un motif géométrique de crêtes et de creux d’onde est créé. De manière similaire, des nano-OLED intelligemment arrangées peuvent produire des effets d’ondes optiques dans lesquels la lumière des pixels voisins se renforce ou s’annule mutuellement.
Manipuler la direction et la polarisation de la lumière
En menant des expériences initiales, l’équipe 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 qu’à des angles très spécifiques. « À l’avenir, il sera également possible de regrouper la lumière d’une matrice de nano-OLED dans une direction et de l’utiliser pour construire des mini-lasers puissants« , anticipe Tommaso Marcato.
La lumière polarisée ( qui est une lumière oscillant dans un seul plan ) peut également être générée par le biais d’interactions, comme les chercheurs l’ont déjà démontré. Aujourd’hui, cela est utilisé 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. Elles utilisent des longueurs d’onde allant de millimètres à kilomètres et exploitent déjà ces interactions depuis un certain temps. Les dispositifs dits en réseau phasé permettent aux antennes ou aux signaux émetteurs d’être précisément alignés et focalisés.
Dans le spectre optique, de telles technologies pourraient, entre autres, aider à accélérer davantage la transmission d’information dans les réseaux de données et les ordinateurs.
Des membranes céramiques qui font la différence
Dans la fabrication des OLED à ce jour, les molécules émettrices de lumière ont été déposées ultérieurement par vaporisation sur les puces de silicium. Ceci est réalisé en utilisant des masques métalliques relativement épais, qui produisent des pixels en conséquence plus grands.
Comme Oh l’explique, l’élan vers la miniaturisation est maintenant rendu possible par un matériau céramique spécial : « Le nitrure de silicium peut former des membranes très minces mais résilientes qui ne s’affaissent pas sur des surfaces mesurant seulement quelques millimètres carrés.«
Par conséquent, les chercheurs ont pu produire des modèles pour placer les pixels nano-OLED qui sont environ 3 000 fois plus minces. « Notre méthode a également l’avantage de pouvoir être intégrée directement dans les processus standards de lithographie pour la production de puces informatiques« , souligne Oh.
Ouvrir une porte à des technologies novatrices
Les nouvelles nano-diodes électroluminescentes ont été développées dans le cadre d’une Subvention de consolidation décerné à Chih-Jen Shih en 2024 par le Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS). Les chercheurs travaillent actuellement à l’optimisation de leur méthode. Outre la miniaturisation supplémentaire des pixels, l’accent est également mis sur leur contrôle.
« Notre objectif est de connecter les OLED de telle manière que nous puissions les contrôler individuellement« , rapporte le chercheur. Ceci est nécessaire pour exploiter tout le potentiel des interactions entre les pixels lumineux. Entre autres, des nano-pixels précisément contrôlables pourraient ouvrir la porte à des applications novatrices de l’optique en réseau phasé, qui peut diriger et focaliser électroniquement les ondes lumineuses.
Dans les années 1990, il a été postulé que l’optique en réseau phasé permettrait des projections holographiques à partir d’écrans bidimensionnels. Mais Chih-Jen Shih pense déjà une étape plus loin : à l’avenir, des groupes d’OLED en interaction pourraient être regroupés en méta-pixels et positionnés précisément dans l’espace. « Cela permettrait de réaliser des images 3D autour des spectateurs« , affirme le chimiste, en regardant vers l’avenir.
Article : Scalable nanopatterning of organic light-emitting diodes beyond the diffraction limit – Journal : Nature Photonics – DOI : Lien vers l’étude
Source : ETHZ
