比沙粒还小：物理学家制出世界上最小的发光像素

德国维尔茨堡大学的物理学家研制出了世界上最小的发光像素，这一突破有望造出超紧凑型显示器，可适用于智能眼镜和其他可穿戴设备。

智能眼镜可以将数字信息直接投射到用户的视野中，被视为未来可穿戴设备的基石。然而，到目前为止，由于元件体积庞大，以及像素缩小到单个波长尺寸时无法有效发光的光学限制，智能眼镜的研发进展十分有限。

德国维尔茨堡尤利乌斯·马克西米利安大学的科学家朝着制造超小型高亮度显示器迈出了重要一步。他们利用光学天线制造出了有史以来最小的发光像素。该研究由延斯·普夫劳姆和伯特·赫克特教授领导，研究结果发表在期刊《科学进展》上。

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一组物理学家突破了显示像素的极限，揭示了一种可以重塑可穿戴光学未来的新方法。

这项研究的关键发现是，通过金属触点向有机发光二极管注入电流，同时放大并发射生成的光，研究人员在300×300纳米的区域创建了一个橙色发光像素。这个像素的亮度与普通尺寸为5×5微米的传统OLED像素一样高。一纳米是一毫米的百万分之一。这意味着1920×1080像素分辨率的显示器或投影仪将可以轻松安装在一平方毫米的区域上。例如，这使得显示器可以集成到眼镜的镜腿中，然后镜腿将生成的光投射到镜片上。

OLED由嵌入两个电极之间的几个超薄有机层组成。当电流通过这些薄层时，电子和空穴复合，激发活性层中的有机分子，然后这些分子以光量子的形式释放能量。由于每个像素自行发光，因此不需要背光，这使得增强现实和虚拟现实（AR和VR）领域的便携式设备能够实现极深的黑色、鲜艳的色彩和高效的能耗管理。

研究人员在进一步缩小像素尺寸时面临的一个关键问题是这些小尺寸像素中电流的不均匀分布：与避雷针一样，简单地缩小已确立的OLED概念将导致电流主要从天线的角落发射。由黄金制成的天线是边长为300x300x50纳米的立方体。由此产生的电场会产生如此强大的力，以至于移动的金原子会逐渐长成光敏材料。这些被称为"丝状结构"的超薄结构会继续生长，直到像素被短路破坏。

维尔茨堡大学研发出的这种结构在光学天线上方包含一层新引入的特制绝缘层，该绝缘层仅在天线中心留下一个直径200纳米的圆形开口。这种排列方式阻断了从边缘和角落注入的电流，从而实现纳米发光二极管的可靠、持久运行。在这些条件下，丝状结构无法再形成。即使是最早的纳米像素，在环境条件下也能稳定工作两周。

在接下来的步骤中，物理学家希望将效率从目前的1%进一步提高，并将色域扩展到RGB光谱范围。届时，新一代"维尔茨堡制造"微型显示器的研发将畅通无阻。有了这项技术，未来的显示器和投影仪可能会变得非常小，甚至可以几乎无形地集成到佩戴在身体的设备中——从眼镜架到隐形眼镜。

相关链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adz8579