Winzige OLED-Pixel lassen sich wie Mikrochips herstellen

Bildschirme werden immer kleiner und gleichzeitig immer schärfer. Das zeigt sich etwa in Augmented-Reality-Brillen oder bei elektronischen Suchern von Kameras, deren Bildschirmdiagonale zum Teil weniger als ein Zentimeter beträgt.

Je kleiner die Bildschirmpixel, desto schwieriger wird allerdings deren Herstellung. Für besonders kleine Pixel sind organische Leuchtdioden (OLEDs) vielversprechend. Anders als klassische Leuchtdioden bestehen sie nicht aus Kristallen, sondern aus Verbindungen auf Kohlenstoffbasis. Während klassische Leuchtdioden schwächer leuchten, je kleiner man die Kristalle schneidet, lassen sich aus organischen Leuchtmaterialien winzige und dennoch helle Pixel herstellen.

Bisher gab es allerdings ein Problem: Die organischen Leuchtmaterialien eigneten sich nicht für die hochpräzisen Herstellungsmethoden der Halbleiterindustrie. Bei der dort verwendeten Fotolithografie kommen Lösungsmittel und andere Chemikalien zum Einsatz, die die organischen Moleküle chemisch angreifen und zersetzen.

Fotolack für die Lithografie

Forschenden der ETH Zürich ist es nun gelungen, organische Leuchtmoleküle für die Fotolithografie nutzbar zu machen: Sie stellten verschiedenfarbige Leuchtpolymere her, die gleichzeitig als Fotolack dienen und den harschen chemischen Bedingungen standhalten. Die Polymere lassen sich auf einen Halbleiterchip aufgetragen. Mit Fotolack-Eigenschaften ist gemeint: Sie vernetzen sich bei Belichtung mit UV-Licht, wodurch sich feinskalige geometrische Strukturen herstellen lassen.

«Wir haben eine neue Klasse langkettiger Moleküle entwickelt, die durch direkte Belichtung zu OLED-Pixeln verarbeitet werden können», sagt Yinyin Bao, der an der ETH Zürich forschte und nun Professor an der Universität Helsinki ist. Er leitete die Forschung zusammen mit ETH-Professor Chih-Jen Shih. Nun veröffentlichen sie die Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature.

Schützende Schale, leuchtender Kern

Um die empfindlichen Leuchtmoleküle vor den aggressiven Chemikalien zu schützen, entwickelten die Forschenden einen nach dem Kern-Schale-Prinzip aufgebauten Molekülkomplex: Im Innern befindet sich das farbig leuchtende Molekül. Darum herum liegen sternförmig angeordnete Arme, deren äussere Enden auf UV-Licht reagieren. Werden sie belichtet, vernetzen sie sich mit den Armen anderer Sterne. Dadurch wird das Material dort unlöslich, was in der Fotolithografie genutzt wird.

Auch der innere Teil der Arme erfüllt eine wichtige Aufgabe: Er hält die reaktiven Enden auf Abstand zum Leuchtmolekül und schirmt dieses dadurch ab. Ein Mitautor der Studie von der RMIT University in Melbourne untersuchte diese Schutzwirkung zusätzlich mit Computersimulationen. «Wir trennen die beiden Funktionen räumlich», erklärt ETH-Professor Shih. «Das lichtemittierende Molekül sitzt geschützt im Innern, die reaktiven Vernetzungsgruppen aussen. So kann der Fotolack während der Lithografie reagieren, ohne den Leuchtkern stark zu schädigen.»

Das am höchsten aufgelöste mehrfarbige Fluoreszenzbild

Wie präzise sich verschiedenfarbige Leuchtmaterialien mit dem Verfahren strukturieren lassen, zeigten die Forschenden mit einem hochaufgelösten Testbild: Sie stellen das Bild eines Aras her, das 300 mal 430 µm klein ist und aus 250 mal 350 Pixeln besteht. Es handelt sich dabei um ein statisches Bild aus Fluoreszenzfarben, also noch nicht um einen Bildschirm. In diesem Bild werden die Pixel nicht elektrisch zum Leuchten gebracht, sondern von aussen mit Licht angeregt, wodurch sie fluoreszieren. Beim Bild handelt es sich um das bisher höchstaufgelöste mehrfarbige Bild aus Fluoreszenzfarben, das mittels Fotolithografie hergestellt worden ist.

Dass sich mit der Methode auch elektrisch betriebene Leuchtdioden herstellen lassen, zeigten die Forschenden mit einem weiteren Testbild: einem 1 mal 2,4 mm grossen leuchtenden ETH-Logo. Es entstand in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Hua Wang, Professor für Elektronik an der ETH Zürich.

Als Nächstes wollen die Forschenden die Pixelgrösse der Leuchtdioden weiter verkleinern. Um daraus schliesslich einen funktionierenden Bildschirm herzustellen, braucht es noch eine Elektronik, mit der sich die einzelnen Bildpunkte unabhängig voneinander ansteuern lassen.

Shih sieht mögliche Anwendungen aber nicht nur in kleinen Bildschirmen, sondern auch in winzigen Lichtquellen für die Medizintechnik sowie in Geräten für die biologische und neurowissenschaftliche Forschung. «Wir können damit Licht kleinräumig und hochpräzise an der Stelle erzeugen, an der es gebraucht wird», sagt Shih. Winzigen OLEDs könnten beispielsweise in Forschungsgeräten eingesetzt werden, um einzelne biologische Zellen gezielt zu untersuchen oder Nervenzellen in einer Petrischale mit Licht anzuregen. Sehr kleine und präzise steuerbare Lichtquellen könnten so direkt auf Mikrochips hergestellt werden und zum Beispiel auch in der Mikroskopie und in Sensoren nützlich sein.