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Physiker der Universität Würzburg haben mit optischen Antennen und einem cleveren Design extrem kleine Pixel entwickelt. Diese lassen sich zum Beispiel in kompakten AR-Brillen einsetzen.
Smart Glasses, also Brillen, die Informationen direkt ins Sichtfeld einblenden, gelten als Schlüsseltechnologie der Zukunft – doch bisher scheiterte ihr Einsatz oft an der unhandlichen Technik. Effiziente, Licht aussendende Pixel sind aber in der klassischen Optik nicht realisierbar, wenn ihre Größe in den Bereich der Wellenlänge des auszusendenden Lichtes kommt.
Jetzt haben Physiker an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) einen entscheidenden Schritt hin zu leuchtstarken Miniatur-Displays gemacht und mit Hilfe von optischen Antennen das bisher kleinste Pixel der Welt realisiert. Verantwortlich für die Arbeit war eine Forschungsgruppe um die Professoren Jens Pflaum und Bert Hecht; jetzt hat die Gruppe die Ergebnisse ihrer Arbeit im renommierten Journal „Science Advances“ veröffentlicht.
Ein Display auf einem Quadratmillimeter
„Wir haben mit Hilfe eines metallischen Kontaktes, der Strom in eine organische Leuchtdiode fließen lässt und gleichzeitig das emittierte Licht verstärkt und aussendet, ein Pixel für orangefarbenes Licht auf einer Fläche realisiert, die gerade einmal 300 mal 300 Nanometer groß ist. Dieses Pixel ist genauso hell wie ein herkömmliches OLED-Pixel mit Abmessungen von fünf mal fünf Mikrometer“, beschreibt Bert Hecht das zentrale Ergebnis der Studie. Zur besseren Einordnung: Ein Nanometer entspricht dem Millionstel Teil eines Millimeters. Damit würde ein Display oder Projektor mit einer Auflösung von 1920 mal 1080 Pixeln bequem auf eine Fläche von einem Quadrat-Millimeter passen. Ein solches Display könnte in die Bügel einer Brille integriert werden und das Bild auf das Brillenglas projizieren.
Eine OLED besteht aus mehreren hauchdünnen organischen Schichten, die zwischen zwei Elektroden eingebettet sind. Fließt Strom durch das Bauteil, regen Elektronen und Löcher die organischen Moleküle in der aktiven Schicht elektronisch an, anschließend geben diese die Energie dann in Form von Lichtquanten ab. Da jeder Bildpunkt selbst leuchtet, ist keine Hintergrundbeleuchtung nötig, was besonders tiefe Schwarztöne, kräftige Farben und ein effizientes Energiemanagement für portable Anwendungen im Bereich der Augmented und Virtual Reality (AR bzw. VR) ermöglicht.
Eine simple Miniaturisierung funktioniert nicht
Ein zentrales Problem, das die Würzburger bei der Miniaturisierung der Pixel lösen mussten, ist die ungleichmäßige Abgabe der Ströme auf kleinsten Dimensionen. Die eingesetzte optische Antenne, die aus Gold besteht, hat nämlich die Form eines Quaders mit einer Kantenlänge von nur 300 mal 300 mal 50 Nanometern. „Wie bei einem Blitzableiter würden bei einer einfachen Verkleinerung des etablierten OLED-Konzepts die Ströme hauptsächlich von den Ecken der Antenne ausgehen“, beschreibt Jens Pflaum den physikalischen Hintergrund.
„Die dabei auftretenden elektrischen Felder würden zu so starken Kräften führen, dass die Gold-Atome beweglich werden und Stück für Stück in das optisch aktive Material hineinwachsen“, so Pflaum weiter. Diese ultradünnen, auch „Filament“ genannten Strukturen würden dann so lange weiter wachsen, bis das Pixel durch einen Kurzschluss zerstört wird.
Nächster Schritt: Die Effizienz steigern
In der jetzt in Würzburg entwickelten Struktur blockiert eine neu eingeführte, speziell gefertigte Isolationsschicht auf der optischen Antenne, die nur eine kreisrunde Öffnung mit 200 Nanometer Durchmesser auf der Mitte der Antenne freilässt, Ströme, die von den Kanten und Ecken ausgehen würden – und macht so einen zuverlässigen langlebigen Betrieb der Nano-Leuchtdiode möglich. Filamente können sich unter diesen Umständen nicht mehr bilden. „Schon die ersten Nanopixel waren für zwei Wochen unter normalen Raumbedingungen stabil“, beschreibt Bert Hecht das Ergebnis.
In den nächsten Schritten wollen die Physiker nun die Effizienz von derzeit einem Prozent weiter erhöhen und das Farbspektrum auf den RGB-Bereich erweitern. Dann steht einer neuen Generation von Miniatur-Displays „made in Würzburg“ kaum noch etwas im Wege. Mit dieser Technologie könnten Displays und Projektoren künftig so klein werden, dass sie sich nahezu unsichtbar in am Körper getragene Geräte integrieren lassen – von Brillenbügeln bis hin zu Kontaktlinsen.
Prof. Dr. Bert Hecht, Lehrstuhl für Experimentelle Physik (Biophysik), T: +49 931 31-85863, bert.hecht@uni-wuerzburg.de
Individually Addressable Nanoscale OLEDs. Cheng Zhang, Björn Ewald, Leo Siebigs, Luca Steinbrecher, Maximilian Rödel, Thomas Fleischmann, Monika Emmerling, Jens Pflaum, Bert Hecht. Science Advances, 10.1126/sciadv.adz8579
https://www.physik.uni-wuerzburg.de/ep5/nano-optics/ Arbeitsgruppe Hecht
https://www.physik.uni-wuerzburg.de/ep6/pflaum-group/ Arbeitsgruppe Pflaum
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
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