Para peneliti dari ETH Zurich telah memproduksi dioda pemancar cahaya organik (OLED) dalam skala nano – yang ukurannya sekitar seratus kali lebih kecil dari sel manusia. Hal ini tidak hanya memungkinkan layar dan mikroskop ultra-tajam, namun juga membuka kemungkinan baru untuk aplikasi optik gelombang berkat ukuran piksel yang sangat kecil.
Miniaturisasi menempati peringkat sebagai kekuatan pendorong di belakang industri semikonduktor. Peningkatan kinerja komputer yang luar biasa sejak tahun 1950-an sebagian besar disebabkan oleh fakta bahwa struktur yang lebih kecil dapat diproduksi menggunakan chip silikon. Insinyur kimia di ETH Zurich kini telah berhasil mengurangi ukuran dioda pemancar cahaya organik (OLED) – yang saat ini terutama digunakan pada ponsel premium dan layar TV – hingga beberapa kali lipat.
Miniatur dalam satu langkah
Dioda pemancar cahaya adalah chip elektronik yang terbuat dari bahan semikonduktor yang mengubah arus listrik menjadi cahaya. “Diameter piksel OLED paling kecil yang kami kembangkan hingga saat ini berada pada kisaran 100 nanometer, yang berarti piksel tersebut sekitar 50 kali lebih kecil dari teknologi canggih saat ini,” jelas Jiwoo Oh, kandidat doktor yang aktif dalam kelompok penelitian teknik material nano yang dipimpin oleh Profesor ETH Chih-Jen Shih.
Oh mengembangkan proses pembuatan nano-OLED baru bersama dengan Tommaso Marcato. “Hanya dalam satu langkah, kerapatan piksel maksimum kini sekitar 2500 kali lebih besar dibandingkan sebelumnya,” tambah Marcato, yang aktif sebagai postdoc di grup Shih.
Sebagai perbandingan: hingga tahun 2000-an, kecepatan miniaturisasi prosesor komputer mengikuti Hukum Moore, yang menyatakan bahwa kepadatan elemen elektronik meningkat dua kali lipat setiap dua tahun.
Layar, mikroskop dan sensor
Di satu sisi, piksel dengan ukuran mulai dari 100 hingga 200 nanometer membentuk fondasi untuk layar beresolusi sangat tinggi yang dapat menampilkan gambar setajam silet pada kacamata yang dikenakan di dekat mata, misalnya. Untuk menggambarkan hal ini, tim peneliti Shih menampilkan logo ETH Zurich. Logo ETH ini terdiri dari 2.800 nano-OLED dan ukurannya mirip dengan sel manusia, dengan masing-masing pikselnya berukuran sekitar 200 nanometer (0,2 mikrometer). Piksel terkecil yang dikembangkan para peneliti sejauh ini mencapai kisaran 100 nanometer.
Selain itu, sumber cahaya kecil ini juga dapat membantu memfokuskan pada rentang sub-mikrometer melalui mikroskop resolusi tinggi. “Susunan nano-piksel sebagai sumber cahaya dapat menerangi area sampel yang paling kecil – gambar individual kemudian dapat dirakit di komputer untuk menghasilkan gambar yang sangat detail,” jelas profesor kimia teknis tersebut. Dia juga menganggap nano-piksel sebagai sensor kecil potensial yang dapat mendeteksi sinyal dari sel saraf individu, misalnya.
Piksel nano menghasilkan efek gelombang optik
Dimensi kecil ini juga membuka kemungkinan bagi penelitian dan teknologi yang sebelumnya sama sekali di luar jangkauan, seperti yang ditekankan oleh Marcato: “Ketika dua gelombang cahaya dengan warna yang sama bertemu lebih dekat dari setengah panjang gelombangnya – yang disebut batas difraksi – mereka tidak lagi berosilasi secara independen satu sama lain, namun mulai berinteraksi satu sama lain.” Dalam kasus cahaya tampak, batas ini berkisar antara 200 dan 400 nanometer, tergantung pada warnanya – dan nano-OLED yang dikembangkan oleh para peneliti dapat diposisikan sedekat ini.
Prinsip dasar interaksi gelombang dapat diilustrasikan dengan tepat dengan melemparkan dua batu bersebelahan ke dalam danau sehalus cermin. Dimana gelombang air melingkar bertemu, pola geometris puncak dan lembah gelombang tercipta.
Dengan cara serupa, nano-OLED yang disusun secara cerdas dapat menghasilkan efek gelombang optik di mana cahaya dari piksel tetangga saling memperkuat atau menghilangkan satu sama lain.
Memanipulasi arah cahaya dan polarisasi
Saat melakukan percobaan awal, tim Shih mampu menggunakan interaksi tersebut untuk memanipulasi arah cahaya yang dipancarkan dengan cara yang ditargetkan. Alih-alih memancarkan cahaya ke segala arah di atas chip, OLED hanya memancarkan cahaya pada sudut yang sangat spesifik. “Di masa depan, dimungkinkan juga untuk menggabungkan cahaya dari matriks nano-OLED dalam satu arah dan memanfaatkannya untuk membuat laser mini yang kuat,” harap Marcato.
Cahaya terpolarisasi – yaitu cahaya yang berosilasi hanya pada satu bidang – juga dapat dihasilkan melalui interaksi, seperti yang telah ditunjukkan oleh para peneliti. Saat ini, hal ini diterapkan dalam bidang kedokteran, misalnya, untuk membedakan jaringan sehat dari jaringan kanker.
Teknologi radio dan radar modern memberi kita gambaran tentang potensi interaksi ini. Mereka menggunakan panjang gelombang mulai dari milimeter hingga kilometer dan telah memanfaatkan interaksi ini selama beberapa waktu. Apa yang disebut pengaturan array bertahap memungkinkan antena atau sinyal pemancar disejajarkan dan difokuskan secara tepat.
Dalam spektrum optik, teknologi tersebut antara lain dapat membantu mempercepat transmisi informasi dalam jaringan data dan komputer.
Membran keramik membuat perbedaan
Dalam pembuatan OLED hingga saat ini, molekul pemancar cahaya kemudian diendapkan uap ke dalam chip silikon. Hal ini dicapai dengan menggunakan masker logam yang relatif tebal, yang menghasilkan piksel lebih besar.
Seperti yang dijelaskan Oh, dorongan menuju miniaturisasi kini dimungkinkan oleh bahan keramik khusus: “Silikon nitrida dapat membentuk membran yang sangat tipis namun tangguh yang tidak melorot pada permukaan berukuran hanya beberapa milimeter persegi.”
Hasilnya, para peneliti mampu menghasilkan templat untuk menempatkan piksel nano-OLED yang sekitar 3.000 kali lebih tipis. “Metode kami juga memiliki keuntungan karena dapat diintegrasikan langsung ke dalam proses litografi standar untuk produksi chip komputer,” seperti yang digarisbawahi Oh.
Membuka pintu menuju teknologi baru
Dioda pemancar cahaya nano baru dikembangkan dalam konteks Hibah Konsolidator yang diberikan kepada Shih pada tahun 2024 oleh Swiss National Science Foundation (SNSF). Para peneliti saat ini sedang berupaya mengoptimalkan metode mereka. Selain miniaturisasi piksel lebih lanjut, fokusnya juga pada pengendaliannya.
“Tujuan kami adalah menghubungkan OLED sedemikian rupa sehingga kami dapat mengontrolnya satu per satu,” jelas Shih. Hal ini diperlukan untuk memanfaatkan potensi penuh interaksi antara piksel cahaya. Antara lain, nano-piksel yang dapat dikontrol secara tepat dapat membuka pintu bagi aplikasi baru optik array bertahap, yang dapat mengarahkan dan memfokuskan gelombang cahaya secara elektronik.
Pada tahun 1990-an, dipostulasikan bahwa optik array bertahap akan memungkinkan proyeksi holografik dari layar dua dimensi. Namun Shih sudah berpikir satu langkah ke depan: di masa depan, kelompok OLED yang berinteraksi dapat digabungkan menjadi meta-piksel dan diposisikan secara tepat di ruang angkasa. “Ini akan memungkinkan gambar 3D diwujudkan di sekitar pemirsa,” kata ahli kimia tersebut, dengan pandangan ke masa depan.
Referensi
Marcato T, Oh J, Lin ZH, Tian T, Gogoi A, Shivarudraiah SB, Kumar S, Rajan AG, Zeng S, Shih CJ: Pola nano terukur dari dioda pemancar cahaya organik melampaui batas difraksi, Nature Photonics, 31 Oktober 2025, doi: 10.1038/s41566-025-01785-z
