Das kleinstes Pixel der Welt gibt’s in Würzburg

Das kleinste Pixel der Welt haben Forscher der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) gebaut. Es sendet oranges Licht mit einer Wellenlänge von 650 Nanometern aus, hat aber 30 Nanometer Kantenlänge, ist also nur 90 Quadratmikrometer groß. (Ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter, ein Mikrometer ein tausendstel Millimeter.) In einen Quadratmillimeter würden also theoretisch mehr als 3000×3000 Pixel passen. Mit klassischer Optik wäre das nicht zu schaffen.

Bildschirme bestehen aus vielen Bildelementen, sogenannten Pixel (picture elements). In modernen Bildschirmen besteht jedes Pixel aus einer Leuchtdiode, die Lichtwellen aussendet. Das ist bewährte Technik, solange die Pixel nicht zu klein werden müssen. Schrumpfen sie in den Bereich der Wellenlänge des auszusendenden Lichts, versagt klassische Optik. Je kleiner der Bildschirm, desto weniger Pixel passen darauf, umso geringer wird die Auflösung. Für besonders kleine Bildschirme, die gleichzeitig hohe Auflösungen haben sollen, wie beispielsweise Kontaktlinsen mit eingebauten Bildschirmen, sind also neue Ansätze jenseits klassischer Optik erforderlich.

Hier helfen winzige optische Antennen, meist aus Gold, die Lichtenergie genauer konzentrieren als jede Linse. Optische Antennen haben allerdings die Angewohnheit, Energie hauptsächlich an ihren Ecken abzugeben. „Die dabei auftretenden elektrischen Felder würden zu so starken Kräften führen, dass die Gold-Atome beweglich würden und Stück für Stück in das optisch aktive Material hineinwüchsen“, erklärt Professor Jens Pflaum von der JMU. Diese „Filament“ genannten Auswüchse führen mit der Zeit zu einem Kurzschluss, der das Pixel zerstört.

Isolierung hilft

Die Gruppe Experimentalphysiker um die Würzburger Forscher Cheng Zhang und Björn Ewald hat sich dafür eine Lösung einfallen lassen: Isolation. Die Ecken der optischen Antennen werden so abgedeckt, dass nur ihrer Mitte eine kreisrunde Öffnung von 200 Nanometern Durchmesser offen bleibt. Da muss die Antenne ihre Energie dort abgeben. Filamente, so die Forscher, bilden sich keine mehr, was die winzigen organischen Leuchtdioden (OLED) langlebig macht. „Schon die ersten Nanopixel waren für zwei Wochen unter normalen Raumbedingungen stabil“, ist Professor Bert Hecht beeindruckt.

Gleichzeitig leuchten die winzigen Pixel stark: 3.000 Candela pro Quadratmeter (nits) übertreffen die Leuchtstärke aktueller Oberklasse-Smartphones wie dem Pixel 10. Die Effizienz ist allerdings mit einem Prozent noch sehr gering. Außerdem ist derzeit jede gewünschte Farbe verfügbar, solange man sich Orange wünscht. An diesen Einschränkungen arbeitet die JMU weiter, mit dem Ziel einer neuen Bildschirmgeneration „made in Würzburg“.

Über die Grundlagen optischer Antennen informiert beispielsweise dieser Vortrag von Professor Paul Leiderers von der Universität Konstanz:

Zur Forschergruppe der JMU gehören neben Zhang und Ewald auch Leo Siebigs, Luca Steinbrecher, Maximilian Rödel, Thomas Fleischmann, Monika Emmerling. Sie arbeiten unter der Ägide der genannten Professoren Pflaum und Hecht. Der Bericht Individually addressable nanoscale OLEDs ist jüngst in der Zeitschrift Science Advances erschienen.

(ds)