一組物理學(xué)家突破了顯示像素的極限，揭示了一種可以重塑可穿戴光學(xué)未來的新方法。

德國維爾茨堡大學(xué)的物理學(xué)家研制出了世界上最小的發(fā)光像素，這一突破有望造出超緊湊型顯示器，可適用于智能眼鏡和其他可穿戴設(shè)備。

智能眼鏡可以將數(shù)字信息直接投射到用戶的視野中，被視為未來可穿戴設(shè)備的基石。然而，到目前為止，由于元件體積龐大，以及像素縮小到單個波長尺寸時無法有效發(fā)光的光學(xué)限制，智能眼鏡的研發(fā)進(jìn)展十分有限。

德國維爾茨堡尤利烏斯·馬克西米利安大學(xué)的科學(xué)家朝著制造超小型高亮度顯示器邁出了重要一步。他們利用光學(xué)天線制造出了有史以來最小的發(fā)光像素。該研究由延斯·普夫勞姆和伯特·赫克特教授領(lǐng)導(dǎo)，研究結(jié)果發(fā)表在期刊《科學(xué)進(jìn)展》上。

這項研究的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，通過金屬觸點向有機(jī)發(fā)光二極管注入電流，同時放大并發(fā)射生成的光，研究人員在300×300納米的區(qū)域創(chuàng)建了一個橙色發(fā)光像素。這個像素的亮度與普通尺寸為5×5微米的傳統(tǒng)OLED像素一樣高。一納米是一毫米的百萬分之一。這意味著1920×1080像素分辨率的顯示器或投影儀將可以輕松安裝在一平方毫米的區(qū)域上。例如，這使得顯示器可以集成到眼鏡的鏡腿中，然后鏡腿將生成的光投射到鏡片上。

OLED由嵌入兩個電極之間的幾個超薄有機(jī)層組成。當(dāng)電流通過這些薄層時，電子和空穴復(fù)合，激發(fā)活性層中的有機(jī)分子，然后這些分子以光量子的形式釋放能量。由于每個像素自行發(fā)光，因此不需要背光，這使得增強(qiáng)現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實(AR和VR)領(lǐng)域的便攜式設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)極深的黑色、鮮艷的色彩和高效的能耗管理。

研究人員在進(jìn)一步縮小像素尺寸時面臨的一個關(guān)鍵問題是這些小尺寸像素中電流的不均勻分布：與避雷針一樣，簡單地縮小已確立的OLED概念將導(dǎo)致電流主要從天線的角落發(fā)射。由黃金制成的天線是邊長為300x300x50納米的立方體。由此產(chǎn)生的電場會產(chǎn)生如此強(qiáng)大的力，以至于移動的金原子會逐漸長成光敏材料。這些被稱為"絲狀結(jié)構(gòu)"的超薄結(jié)構(gòu)會繼續(xù)生長，直到像素被短路破壞。

維爾茨堡大學(xué)研發(fā)出的這種結(jié)構(gòu)在光學(xué)天線上方包含一層新引入的特制絕緣層，該絕緣層僅在天線中心留下一個直徑200納米的圓形開口。這種排列方式阻斷了從邊緣和角落注入的電流，從而實現(xiàn)納米發(fā)光二極管的可靠、持久運(yùn)行。在這些條件下，絲狀結(jié)構(gòu)無法再形成。即使是最早的納米像素，在環(huán)境條件下也能穩(wěn)定工作兩周。

在接下來的步驟中，物理學(xué)家希望將效率從目前的1%進(jìn)一步提高，并將色域擴(kuò)展到RGB光譜范圍。屆時，新一代"維爾茨堡制造"微型顯示器的研發(fā)將暢通無阻。有了這項技術(shù)，未來的顯示器和投影儀可能會變得非常小，甚至可以幾乎無形地集成到佩戴在身體的設(shè)備中——從眼鏡架到隱形眼鏡。

審核編輯 黃宇