在半導(dǎo)體微型化的百年征途中，一項(xiàng)來自瑞士的突破正重新定義光電子器件的物理極限。

近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）化學(xué)工程團(tuán)隊(duì)成功研制出直徑僅100納米的有機(jī)發(fā)光二極管（OLED），成為全球迄今最小的OLED器件。這一成果不僅將像素尺寸縮小至現(xiàn)有技術(shù)的1/50，更實(shí)現(xiàn)2500倍的像素密度躍升，為超高分辨率顯示、先進(jìn)生物成像乃至全息三維投影開辟了前所未有的技術(shù)路徑。

該研究團(tuán)隊(duì)由瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）的施志仁教授領(lǐng)導(dǎo)。這些新型納米OLED的制造工藝由吳博士與托馬索·馬爾卡托共同開發(fā)。相關(guān)研究已發(fā)表于國際頂級期刊《自然·光子學(xué)》。

傳統(tǒng)OLED屏幕受限于蒸鍍工藝中金屬掩模的物理精度，像素尺寸通常在數(shù)微米級別，難以滿足近眼顯示（如AR/VR智能眼鏡）對極致清晰度的需求。而ETH團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新性地采用超薄氮化硅陶瓷薄膜作為模板，成功繞過這一瓶頸。這種薄膜厚度僅為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1/3000，卻具備優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和平整度，可在標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝中直接集成，實(shí)現(xiàn)納米級像素的精準(zhǔn)定位與制造。

為直觀展示其能力，研究團(tuán)隊(duì)用2800個(gè)納米OLED拼出蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院校徽——整個(gè)圖案大小僅相當(dāng)于一個(gè)人體細(xì)胞（約10–20微米）。單個(gè)像素小至100納米，而可見光波長的衍射極限通常在200–400納米。正是這一“臨界尺度”，意外打開了波動(dòng)光學(xué)的大門。

這枚校徽由2800個(gè)納米發(fā)光二極管構(gòu)成，其整體高度僅為20微米，相當(dāng)于一個(gè)人類細(xì)胞的大小。圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

當(dāng)像素間距小于光波半波長時(shí)，相鄰光源發(fā)出的光波不再獨(dú)立傳播，而是產(chǎn)生干涉效應(yīng)——如同水面上兩列波紋交匯，形成增強(qiáng)或抵消的復(fù)雜圖案。研究團(tuán)隊(duì)巧妙利用這一現(xiàn)象，通過精確排布納米OLED陣列，首次實(shí)現(xiàn)了對光波相位的主動(dòng)調(diào)控。實(shí)驗(yàn)中，他們成功將原本全向發(fā)散的OLED光線聚焦至特定角度，徹底顛覆了傳統(tǒng)OLED“向四面八方發(fā)光”的固有特性。

這一突破意義深遠(yuǎn)。首先，它為高效微型激光器的開發(fā)提供了新路徑。通過相控陣原理，納米OLED陣列可協(xié)同發(fā)射相干光，無需傳統(tǒng)諧振腔即可實(shí)現(xiàn)激光輸出。其次，該技術(shù)能生成高度可控的偏振光——在醫(yī)學(xué)成像中，偏振特性可用于區(qū)分健康組織與癌變區(qū)域，提升早期診斷精度。

更令人振奮的是其在相控陣光學(xué)領(lǐng)域的潛力。正如現(xiàn)代雷達(dá)通過電子調(diào)控天線陣列實(shí)現(xiàn)波束掃描，未來納米OLED矩陣有望以純電子方式動(dòng)態(tài)引導(dǎo)和聚焦光束。研究團(tuán)隊(duì)指出，這不僅可加速光互連與數(shù)據(jù)中心通信，還將推動(dòng)全息顯示從二維走向三維。“我們設(shè)想將相互作用的OLED組件集成到空間超像素中，使觀眾被真實(shí)環(huán)繞的3D圖像所包圍。”研究人員表示。

除顯示外，納米OLED在科研與醫(yī)療領(lǐng)域同樣前景廣闊。作為高分辨率顯微鏡的照明源，其可精準(zhǔn)照射樣品的亞微米區(qū)域，再通過計(jì)算機(jī)合成數(shù)千張局部圖像，重構(gòu)出遠(yuǎn)超傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡分辨率的細(xì)節(jié)。此外，其微小尺寸使其有望嵌入神經(jīng)接口，探測單個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)，為腦機(jī)接口與神經(jīng)科學(xué)研究提供全新工具。

值得一提的是，該技術(shù)并非實(shí)驗(yàn)室孤品，而是具備產(chǎn)業(yè)化兼容性。其制造流程可無縫融入現(xiàn)有半導(dǎo)體光刻產(chǎn)線，無需顛覆性設(shè)備投入，大大降低了商業(yè)化門檻。

責(zé)編：Jimmy.zhang