پژوهشگران مؤسسه فناوری فدرال زوریخ (ETH Zurich) خانوادهای جدید از پلیمرهای نورگسیل را توسعه دادهاند که همزمان میتوانند بهعنوان ماده نورده و فوتورزیست عمل کنند. این مواد با استفاده از فرایند فوتولیتوگرافی، روشی رایج در صنعت ساخت تراشه، امکان ایجاد ساختارهای نوری بسیار ظریف را فراهم میکنند و میتوانند مسیر تازهای برای تولید پیکسلهای بسیار کوچک و رنگی OLED و همچنین منابع نوری مینیاتوری در تجهیزات پزشکی، زیستی و پژوهشی ایجاد کنند.
نمایشگرهای الکترونیکی هر روز کوچکتر و در عین حال دقیقتر میشوند. این روند را میتوان در محصولاتی مانند عینکهای واقعیت افزوده و منظرهیابهای الکترونیکی دوربینها مشاهده کرد؛ تجهیزاتی که در برخی از آنها قطر صفحهنمایش به کمتر از یک سانتیمتر میرسد. با کوچکشدن ابعاد نمایشگر، اما یک چالش اساسی بیشتر خودنمایی میکند: چگونه میتوان پیکسلهای بسیار کوچک را با دقت بالا و به تعداد زیاد تولید کرد؟
پژوهشگران مؤسسه فناوری فدرال زوریخ اکنون روشی را توسعه دادهاند که میتواند پاسخ تازهای به این پرسش ارائه کند. آنها پلیمرهای نورگسیلی ساختهاند که علاوه بر تولید نور، ویژگیهای موردنیاز برای استفاده بهعنوان فوتورزیست (Photoresist) را نیز دارند. فوتورزیستها موادی حساس به نور هستند که در فرایند فوتولیتوگرافی (Photolithography) برای ایجاد الگوهای بسیار دقیق روی سطح تراشهها بهکار میروند. استفاده از همین فناوری برای شکلدهی مواد نورگسیل میتواند امکان تولید پیکسلهای بسیار کوچک را با فرایندهایی مشابه فناوری ساخت تراشه فراهم کند.
دیودهای نورگسیل آلی (Organic Light-Emitting Diodes; OLED) از گزینههای مناسب برای ساخت نمایشگرهای کوچک بهشمار میروند. برخلاف دیودهای نورگسیل معمولی که بر پایه مواد بلوری ساخته میشوند، OLEDها از ترکیبات آلی مبتنی بر کربن استفاده میکنند. یکی از مزیتهای مواد نورگسیل آلی این است که میتوان از آنها برای ساخت منابع نوری بسیار کوچک و در عین حال روشن استفاده کرد؛ قابلیتی که در کوچکسازی نمایشگرها اهمیت زیادی دارد.
بااینحال، مواد نورگسیل آلی تا پیش از این با روشهای ساخت بسیار دقیق مورد استفاده در صنعت نیمهرسانا سازگاری مناسبی نداشتند. در فوتولیتوگرافی، مواد مختلف شیمیایی و حلالها برای ایجاد الگوهای موردنظر روی سطح تراشه استفاده میشوند و این مواد میتوانند به مولکولهای آلی حساس آسیب بزنند یا ساختار آنها را تخریب کنند. همین مسئله یکی از موانع مهم برای استفاده از این روش در تولید پیکسلهای OLED بسیار کوچک بود.
پژوهشگران ETH زوریخ برای حل این مشکل، ساختار مولکولی جدیدی طراحی کردهاند که از یک هسته نورگسیل و یک پوسته محافظ تشکیل شده است. در مرکز این ساختار، مولکولی قرار دارد که وظیفه تولید رنگ و نور را بر عهده دارد. در اطراف آن نیز بازوهایی با آرایش ستارهای قرار گرفتهاند که انتهای آنها به نور فرابنفش حساس است.
هنگامی که این ماده در معرض نور فرابنفش قرار میگیرد، بخشهای حساس موجود در انتهای بازوها با بخشهای مشابه در مولکولهای مجاور واکنش میدهند و یک شبکه پلیمری بههمپیوسته تشکیل میدهند. در نتیجه، ناحیهای که در معرض نور قرار گرفته است، در برابر حلالها نامحلول میشود. این ویژگی دقیقاً همان چیزی است که برای ایجاد الگوهای ظریف در فرایند فوتولیتوگرافی مورد نیاز است.
نکته کلیدی در طراحی این ساختار آن است که عملکرد نورگسیلی و واکنشپذیری نوری از یکدیگر جدا شدهاند. بخش نورگسیل در مرکز مولکول قرار گرفته و توسط ساختار اطراف محافظت میشود، در حالی که گروههای شیمیایی واکنشپذیر در بخش بیرونی قرار دارند. به این ترتیب، ماده میتواند در فرایند لیتوگرافی به نور واکنش نشان دهد، بدون آنکه مواد شیمیایی مورد استفاده در این فرایند آسیب قابلتوجهی به هسته نورگسیل وارد کنند.
یینیین بائو (Yinyin Bao)، پژوهشگر پیشین ETH زوریخ و استاد کنونی دانشگاه هلسینکی (University of Helsinki)، درباره این دستاورد گفت که پژوهشگران نوع جدیدی از مولکولهای زنجیرهبلند را توسعه دادهاند که میتوانند با تابش مستقیم نور به پیکسلهای OLED تبدیل شوند. این پژوهش با هدایت بائو و چیجن شی (Chih-Jen Shih)، استاد ETH زوریخ، انجام شده و نتایج آن در نشریه علمی نیچر (Nature) منتشر شده است.
پژوهشگران برای نشاندادن توانایی این روش در ایجاد الگوهای بسیار ظریف، یک تصویر آزمایشی چندرنگ با وضوح بالا تولید کردند. این تصویر، یک طوطی ماکائو با ابعاد تنها ۳۰۰ در ۴۳۰ میکرومتر بود که از ۲۵۰ در ۳۵۰ پیکسل تشکیل شده است. این ساختار در مجموع بیش از ۸۷ هزار پیکسل دارد و با استفاده از مواد نورگسیل با رنگهای مختلف شکل گرفته است.
البته این تصویر هنوز یک نمایشگر واقعی محسوب نمیشود. پیکسلهای آن بهصورت الکتریکی روشن نمیشوند، بلکه با تابش نور خارجی تحریک شده و بهصورت فلورسانس نور منتشر میکنند. بااینحال، پژوهشگران اعلام کردهاند که این نمونه در زمان انجام پژوهش، بالاترین وضوح ثبتشده برای یک تصویر چندرنگ فلورسنت تولیدشده با استفاده از فوتولیتوگرافی را داشته است.
گروه پژوهشی همچنین نشان داده است که این فناوری تنها به ساخت تصاویر فلورسنت محدود نمیشود. آنها با استفاده از یک ساختار آزمایشی دیگر، یک دیود نورگسیل الکتریکی ساختند که در قالب نشانواره ETH زوریخ ظاهر میشد. این نشانواره حدود یک در ۲٫۴ میلیمتر ابعاد داشت و در همکاری با گروه هوا وانگ (Hua Wang)، استاد الکترونیک در ETH زوریخ، ساخته شد.
گام بعدی پژوهشگران، کوچکترکردن هرچه بیشتر ابعاد پیکسلهای دیودهای نورگسیل است. البته برای تبدیل این فناوری به یک نمایشگر واقعی، تنها تولید پیکسلهای بسیار کوچک کافی نیست. مدارهای الکترونیکی لازم نیز باید توسعه یابند تا بتوان هر پیکسل را بهصورت مستقل کنترل و روشن یا خاموش کرد.
کاربردهای احتمالی این فناوری نیز فراتر از نمایشگرهای کوچک است. به گفته پژوهشگران، منابع نوری بسیار کوچک و دقیق میتوانند در پزشکی، پژوهشهای زیستی و علوم اعصاب مورد استفاده قرار گیرند. برای نمونه، میتوان منابع نوری بسیار کوچکی را مستقیماً روی تراشهها ایجاد کرد تا نور دقیقاً در نقطهای مشخص از یک سلول زیستی تابانده شود یا سلولهای عصبی در یک محیط آزمایشگاهی با نور تحریک شوند.
چنین منابع نوری کوچکی میتوانند در تجهیزات میکروسکوپی و حسگرها نیز کاربرد داشته باشند. مزیت اصلی این فناوری در چنین کاربردهایی، امکان تولید نور در ابعاد بسیار کوچک و با دقت مکانی بالا است؛ قابلیتی که میتواند کنترل نور را در مقیاس سلولی و حتی کوچکتر امکانپذیر کند.
این دستاورد نشان میدهد که ترکیب مواد نورگسیل آلی با فناوریهای جاافتاده صنعت تراشه میتواند مرزهای کوچکسازی منابع نوری را جابهجا کند. هرچند ساخت یک نمایشگر OLED کامل و قابلکنترل همچنان به توسعه بخشهای الکترونیکی و کاهش بیشتر اندازه پیکسلها نیاز دارد، فناوری جدید میتواند گامی مهم برای ساخت نمایشگرهای فوقریز و منابع نوری مینیاتوری باشد؛ منابعی که در آینده شاید نه فقط روی صفحهنمایش، بلکه مستقیماً روی تراشههای مورد استفاده در پزشکی، زیستشناسی و حسگری قرار گیرند.