10 月 24 日消息，德國維爾茨堡尤利烏斯-馬克西米利安大學(xué)的物理學(xué)家成功造出了迄今全球最小的發(fā)光像素，為未來智能眼鏡和超微型顯示技術(shù)的發(fā)展邁出關(guān)鍵一步。
該團(tuán)隊由延斯?普夫勞姆（Jens Pflaum）和貝特?赫希特（Bert Hecht）教授領(lǐng)導(dǎo)。相關(guān)研究成果已于當(dāng)?shù)貢r間 10 月 22 日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（DOI: 10.1126 / sciadv.adz8579）。
圖1 具有獨立可尋址底部納米電極的納米OLED像素概念設(shè)計。(A)器件結(jié)構(gòu)示意圖：絕緣層（HSQ）覆蓋金納米電極邊緣與角落，僅在電極平坦區(qū)域保留納米孔徑，實現(xiàn)電荷在孔徑內(nèi)均勻注入與復(fù)合；(B)同時展示電荷載流子平衡傳輸?shù)膭討B(tài)過程。(C)電場分布模擬圖。
研究人員利用“光學(xué)天線”技術(shù)，在 300nm×300nm 的面積上成功制造出了可獨立尋址的亞波長 OLED 像素，實驗獲得 1% 的 EQE、3000 cd/m2 的峰值亮度，以及超越視頻速率的快速響應(yīng)時間。
赫希特解釋說：“通過一種金屬接觸結(jié)構(gòu)，使電流可以注入有機(jī)發(fā)光二極管（OLED），同時放大并發(fā)射光，我們在極小的面積上實現(xiàn)了與傳統(tǒng)像素相同的亮度。”
圖2 (A)器件能級結(jié)構(gòu)與堆疊示意圖；(B)電流密度-電壓及電致發(fā)光（EL-電壓特性曲線；(C)EQE-電流密度關(guān)系曲線；(D)亮度-電流密度特性曲線。
研究團(tuán)隊指出，1 納米是 100 萬分之一毫米，這意味著如果將這種像素用于顯示器或投影儀，1920×1080 分辨率的顯示畫面理論上可裝入僅一平方毫米的面積中。如此微小的顯示組件未來有望嵌入眼鏡鏡腿中，再將圖像投射至鏡片上，從而開發(fā)出輕量化的 AR 和 VR 設(shè)備。
OLED 由多層超薄有機(jī)材料夾在兩層電極之間構(gòu)成。當(dāng)電流通過時，電子與空穴結(jié)合并激發(fā)有機(jī)分子，進(jìn)而釋放光子。由于每個像素可獨立發(fā)光，因此無需背光源，能呈現(xiàn)更深的黑色、更鮮艷的色彩，并具備更高能效 —— 這一特性對便攜式顯示設(shè)備尤為關(guān)鍵。
普夫勞姆指出，過去在進(jìn)一步縮小像素時遇到的主要難題是電流分布不均。“如果直接縮小傳統(tǒng) OLED 結(jié)構(gòu)，就像縮小避雷針一樣，電流會主要集中在天線的角落。”研究中使用的金質(zhì)天線呈長方體結(jié)構(gòu)，邊長約 300×300×50 納米。
這種不均勻的電場會導(dǎo)致金原子遷移，逐漸滲入發(fā)光層，形成被稱為“細(xì)絲”（filaments）的微結(jié)構(gòu)，最終因短路而損壞像素。
為此，研究團(tuán)隊在新結(jié)構(gòu)中引入了一層專門設(shè)計的絕緣層，僅在天線中央保留直徑 200 納米的圓形開口。此設(shè)計可阻斷來自邊緣和角落的電流注入，從而實現(xiàn)穩(wěn)定、持久的納米發(fā)光二極管運(yùn)行。赫希特表示：“在這種條件下，我們制得的首批納米像素在常溫環(huán)境下可穩(wěn)定工作長達(dá)兩周。”
目前這種納米像素的光電轉(zhuǎn)換效率約為 1%。研究團(tuán)隊計劃繼續(xù)提升效率，并擴(kuò)展至紅、綠、藍(lán)（RGB）全色域。赫希特表示，一旦實現(xiàn)這些改進(jìn)，“新一代的超微型顯示技術(shù)‘維爾茨堡制造’將近在眼前。”
未來，這項技術(shù)有望讓顯示器和投影儀變得極為微小，可幾乎隱形地嵌入可穿戴設(shè)備中，從眼鏡鏡架到隱形眼鏡，應(yīng)用前景廣闊。
