في الآونة الأخيرة، وصلت مصابيح LED الصغيرة والنانو البيروفسكايت (micro-PeLED وnano-PeLED) التي طورها فريق البروفيسور ديفيد دي والباحث تشاو باودان من كلية العلوم والهندسة الإلكترونية الضوئية بجامعة تشجيانغ / كلية هاينينغ الدولية المشتركة إلى حد جديد للحجم يبلغ 90 نانومتر والذي يصعب الوصول إليه بالنسبة لمصابيح LED التقليدية. وفي الوقت نفسه، تؤدي عملية تقليص الحجم إلى خسائر ضعيفة في الأداء. نُشرت نتائج الأبحاث ذات الصلة، بعنوان "Downscaling micro-andnano-perovskite LEDs"، في مجلة "Nature" في 20 مارس بتوقيت بكين. المؤلف الأول للورقة هو طلاب الدكتوراه ليان ياشياو، ووانغ ياكسين، ويوان يوكاي، ورن تشيشيانغ من كلية العلوم والهندسة الإلكترونية الضوئية بجامعة تشجيانغ. المؤلفان المقابلان لهذه الورقة هما ديفيد دي وتشاو باودان. جامعة تشجيانغ هي الوحدة المقابلة الوحيدة.
فن "الصغرى"
وفقا لنمط تطور تكنولوجيا المعلومات، فإن عدد الترانزستورات التي يمكن استيعابها في دائرة متكاملة سوف يتضاعف كل عامين تقريبا، وسوف يتحسن الأداء أيضا وفقا لذلك، مما يؤدي إلى تشغيل المعدات الإلكترونية بشكل أسرع وأسرع وخفض تكاليف التصنيع.
من أجهزة الكمبيوتر التي كانت تتطلب عدة غرف في أيامها الأولى إلى الهواتف المحمولة المدمجة التي لديها الآن العديد من الوظائف التطبيقية، من أول مصباح LED أحمر إلى الشاشات الملونة الواسعة والغنية اليوم ونظارات الواقع المعزز والواقع الافتراضي... أصبح "تصغير" الأجهزة هدفًا يسعى إليه العلماء باستمرار.
في مجال العلوم الإلكترونية، تتم عملية تقليص حجم الأجهزة الأساسية بشكل مستمر.
"في الوقت الحالي، تعد تقنية العرض الأكثر تقدمًا في العالم هي تقنية MicroLED المستندة إلى أشباه الموصلات III-V، والتي تعتبر "التقنية النهائية" لشاشات العرض." قدم David Di أن micro-LED عبارة عن LED "تصغير الحجم". من خلال تقليل حجم LED، يمكن تحقيق شاشات إلكترونية بصرية فائقة الوضوح وفائقة الدقة.
يقوم فريق البحث بإجراء تجارب بحثية علمية
نظرًا لقلة تكنولوجيا العمليات المعقدة، فإن تكلفة تصنيع مصابيح LED الصغيرة مرتفعة للغاية. علاوة على ذلك، عندما يتم تقليل حجم البكسل إلى حوالي 10 ميكرون أو أصغر، تنخفض كفاءة مصابيح LED الصغيرة بشكل كبير. هذا هو بالضبط حجم البكسل المطلوب لتطبيقات الواقع المعزز/الواقع الافتراضي فائقة الدقة. يحد السعر المرتفع وكفاءة الإضاءة المنخفضة من إمكانية التطبيقات التجارية واسعة النطاق.
يعد Perovskite LED نوعًا جديدًا من مصادر الضوء التي يمكن استخدامها في العرض والإضاءة والاتصالات وغيرها من المجالات. لديها مزايا كبيرة في نقاء الألوان وعرض التدرج اللوني. منذ بضع سنوات مضت، بدأ فريق ديفيد دي، مستوحى من أبحاث التصغير الخاصة بمصابيح LED الدقيقة لأشباه الموصلات من نوع III-V، في تطوير مصابيح LED أصغر من البيروفسكايت لتكنولوجيا العرض المستقبلية.
بعد المحاولات الأولية، اقترح الفريق أولاً مفهوم "LED البيروفسكايت الصغير (micro-PeLED)" في عام 2021، وحصل بعد ذلك على براءات اختراع وطنية ودولية.
"نحت" مصابيح LED البيروفسكايت الأصغر
"لا يمكن استخدام تقنية Micro-LED لتصغير مصابيح البيروفسكايت LED. علاوة على ذلك، فإن عملية الطباعة الحجرية الضوئية التقليدية ستدمر مادة البيروفسكايت." قال ديفيد دي إن أبسط طريقة لصنع مصابيح LED من البيروفسكايت الصغيرة هي تصميم نقاط اتصال القطب في الأعلى والأسفل، واستخدام المناطق التي تتداخل فيها الأقطاب الكهربائية لتحديد منطقة البكسل التي ينبعث منها الضوء. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة ستعرض مادة البيروفسكايت عند حدود البكسل إلى حافة القطب، والتي تكون عرضة لفقد الطاقة غير الإشعاعية، مما يقلل من كفاءة LED.
"لقد صممنا مجموعة من عمليات الاتصال المحلية التي يمكنها إدخال النوافذ المزخرفة المصنوعة بواسطة الطباعة الحجرية الضوئية في الطبقة العازلة الإضافية للتأكد من أن منطقة البكسل بعيدة عن حافة القطب." قدم ليان ياشياو.
تضمن هذه العملية بشكل فعال كفاءة الإضاءة لمصابيح LED وتمكن الفريق من تصنيع مصابيح LED البيروفسكايت بأحجام بكسل تتراوح من مئات الميكرونات إلى 90 نانومتر. قال تشاو باودان: "بالنسبة لمصابيح البيروفسكايت الخضراء والأشعة تحت الحمراء القريبة، عندما يتراوح حجم البكسل من مئات الميكرونات إلى 3.5 ميكرون، تظل كفاءة الكم الخارجية حوالي 20٪".
Micro/nano-PeLED مقارنة بتقنيات LED الأخرى.
تتمتع مصابيح Micro-PeLEDs التي طورها فريق البحث بمزايا مقارنة بمصابيح LED الدقيقة المعتمدة على أشباه الموصلات III-V. لا يبدأ تأثير تقليل الحجم حتى الحجم الصغير للغاية الذي يبلغ حوالي 180 نانومتر، وفي ذلك الوقت يتم تقليل الكفاءة إلى 50% من القيمة القصوى. انخفضت كفاءة مصابيح LED الصغيرة التقليدية بشكل ملحوظ عندما يكون حجمها أقل من 10 ميكرون.
قال David Di: "يمكن لـ nano-PeLED الموضح في الورقة أن يصل إلى 90 نانومترًا على الأقل، وهو أصغر بكسل LED تم الإبلاغ عنه حتى الآن." وبناءً على ذلك، فإن مصفوفة بكسل LED ذات الدقة العالية جدًا البالغة 127000 نقطة في البوصة التي أنشأها الفريق سجلت أيضًا الرقم القياسي لأعلى دقة لجميع أنواع مصفوفات LED.
اختراق إلى "المتطرف"
فيما يتعلق بتدريب الطلاب، لدى الفريق أيضًا فلسفته الخاصة - لتشكيل الدافع الداخلي الشخصي الذي يسترشد بحل المشكلات الصعبة الحقيقية. وقال ديفيد دي: "استكشاف الحدود والقيام بالشيء الأصعب والصحيح في الميدان هو هدفنا جميعًا، وهو يوحد قوة الفريق بأكمله".
صورة الفريق
وفي حديثه عن الطبيعة الفنية للورقة، "أعرب المراجعون عن أسفهم لعبء العمل الضخم وراء الورقة"، قال تشاو باودان، "إن هذه الورقة تجمع بين التقنيات الرئيسية التي يتقنها جميع المؤلفين الرئيسيين، وقد ساهم الجميع بحكمتهم وجهودهم".
إن استكشاف حدود أداء تقليص حجم LED نشأ من فضول الفريق، ولكن لزيادة تحفيز الإنتاجية، من الضروري الانتقال من الاكتشافات المعملية إلى التطبيقات العملية.
الشكل: صورة مقدمة بواسطة شاشة عرض micro-PeLED صغيرة مصفوفة نشطة
تتطلب أجهزة العرض العملية دوائر قابلة للبرمجة لتشغيل مصفوفات LED لنقل المعلومات المفيدة، الأمر الذي يتطلب التعاون من جانب الصناعة. ولتحقيق هذه الغاية، عمل الفريق مع شركة Hangzhou Lingzhi Technology لإنتاج نموذج أولي لشاشة عرض صغيرة نشطة من نوع Micro-PeLED مدفوعة بلوحة الكترونية معززة TFT، والتي يمكنها تقديم صور ومقاطع فيديو معقدة، ويعمل الفريق حاليًا على الترويج لتطبيق هذه التقنية بشكل نشط.
"نحن متحمسون لرؤية الإمكانات الكبيرة لتقنية Micro وnano-PeLED كتقنيات مصدر للضوء من الجيل التالي في شاشات AR/VR وغيرها من المجالات." قال ديفيد دي.
رابط الورقة: https://www.nature.com/articles/s41586-025-08685-w
(يتم توفير أجزاء من Wen Zhou Tianyu وCha Meng/Tu Zheying بواسطة فريق البحث)