Displays der Zukunft mit Pixeln in Virengröße

Wissenschaftler haben winzige Perowskit-LEDs hergestellt – so klein wie Viren. Das ermöglicht Bildschirme mit einer Rekord-Auflösung von 127.000 Pixeln pro Zoll.

Displays mit extrem hoher Auflösung rücken näher: Forschern der Universität Cambridge und der Zhejiang-Universität in Hangzhou ist es gelungen, die kleinsten LEDs der Welt herzustellen. Die Pixel messen gerade einmal 90 Nanometer und sind damit so winzig wie Viren.

Zum Vergleich: Coronaviren haben eine Größe von etwa 120 bis 160 Nanometern, Influenzaviren sind ungefähr 120 Nanometer groß. Die winzigen Pixel der neuen Displays sind also noch kleiner als die meisten Viren und nur mit einem Elektronenmikroskop sichtbar.

Perowskit-LEDs ermöglichen Rekord-Auflösung von 127.000 PPI

Das Geheimnis hinter den Mini-Pixeln sind sogenannte Perowskit-LEDs, kurz PeLEDs. Dabei handelt es sich um eine neue Klasse von Halbleitern, die sich durch besondere optische und elektrische Eigenschaften auszeichnen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Leuchtdioden auf Basis von III-V-Halbleitern bleiben PeLEDs auch bei extremer Miniaturisierung hocheffizient.

Den Forschern gelang es, PeLEDs in verschiedenen Größen zu realisieren – von einigen hundert Mikrometern bis hinunter zu nur 90 Nanometern. Grüne und Nahinfrarot-PeLEDs erreichten dabei eine externe Quanteneffizienz von rund 20 Prozent über einen weiten Bereich von Pixellängen. Die 90-Nanometer-PeLEDs sind die kleinsten LEDs der Welt und ermöglichen eine Rekord-Pixeldichte von 127.000 Pixeln pro Zoll (PPI).

Neue Fertigungsmethode schont empfindliche Perowskit-Materialien

Um die winzigen Strukturen zu realisieren, mussten die Wissenschaftler eine neue Herstellungsmethode entwickeln. Herkömmliche fotolithografische Verfahren eignen sich nicht für die direkte Strukturierung der empfindlichen Perowskit-Schichten. Stattdessen strukturierten die Forscher die elektrischen Kontakte so, dass lithografisch erzeugte Fenster in einer Isolierschicht die aktiven Pixel definieren und vor Beschädigungen schützen.

Die Studie erschien kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature. Sie könnte den Weg für eine neue Generation von Displays ebnen, die nicht nur eine extrem hohe Auflösung, sondern auch eine verbesserte Energieeffizienz und Farbwiedergabe bieten. Denkbar wären etwa Augmented-Reality-Brillen mit gestochen scharfen, lebensechten Bildern oder Smartphones, deren Displays mit bloßem Auge nicht mehr von der Realität zu unterscheiden sind.

Hürden auf dem Weg zur Kommerzialisierung

Bis die neuen Displays massentauglich sind, gibt es aber noch einige Hürden zu überwinden. Bisher gelang die Herstellung der Mikro- und Nano-PeLEDs nur im Labormaßstab. Um sie in großen Stückzahlen produzieren zu können, arbeiten die Forscher nun an skalierbaren Fertigungstechniken.

Auch die Ansteuerung der winzigen Pixel ist eine Herausforderung. Dafür kooperieren die Wissenschaftler mit dem Unternehmen LinkZill, das Dünnschichttransistoren entwickelt. Gemeinsam haben sie bereits einen Prototyp eines Aktivmatrix-Mikro-PeLED-Displays realisiert, das komplexe Bilder und Videos darstellen kann.

"Wir sind begeistert von dem außergewöhnlichen Potenzial der Mikro-/Nano-PeLEDs als Lichtquellentechnologie der nächsten Generation für Displays und darüber hinaus", sagt Studienleiter Dawei Di. Wenn es gelingt, die neuartigen Displays zur Marktreife zu bringen, könnten sie die Art und Weise verändern, wie wir visuelle Informationen wahrnehmen und mit ihnen interagieren.