Recentemente, os LEDs micro e nanoperovskita (micro-PeLED e nano-PeLED) desenvolvidos pela equipe do professor David Di e do pesquisador Zhao Baodan da Escola de Ciência e Engenharia Optoeletrônica da Universidade de Zhejiang/Haining International Joint College atingiram um novo limite de tamanho de 90nm que é difícil de alcançar para LEDs tradicionais. Ao mesmo tempo, o processo de redução de escala causa apenas perdas fracas de desempenho. Os resultados relevantes da pesquisa, intitulados "Downscaling micro-andnano-perovskite LEDs", foram publicados na "Nature" em 20 de março, horário de Pequim. O primeiro autor do artigo são os estudantes de doutorado Lian Yaxiao, Wang Yaxin, Yuan Yucai e Ren Zhixiang da Escola de Ciência e Engenharia Optoeletrônica da Universidade de Zhejiang. Os autores correspondentes do artigo são David Di e Zhao Baodan. A Universidade de Zhejiang é a única unidade correspondente.
A arte da “miniatura”
De acordo com o padrão de desenvolvimento da tecnologia da informação, o número de transístores que podem ser acomodados num circuito integrado duplicará aproximadamente a cada dois anos, e o desempenho também melhorará em conformidade, resultando num funcionamento cada vez mais rápido dos equipamentos electrónicos e na redução dos custos de produção.
Desde os computadores que no seu início necessitavam de várias divisões até aos telemóveis compactos que agora possuem muitas funções de aplicação, desde o primeiro LED vermelho até aos actuais ecrãs amplos e ricos em cores e óculos AR e VR... a "miniaturização" dos dispositivos tornou-se um objectivo que os cientistas perseguem constantemente.
No campo da ciência eletrônica, o processo de redução contínua do tamanho dos dispositivos básicos está diminuindo.
"Atualmente, a tecnologia de display mais avançada do mundo é o micro-LED baseado em semicondutores III-V, que é considerado a 'tecnologia definitiva' para displays." David Di apresentou que o micro-LED é um LED de “redução de escala”. Ao reduzir o tamanho do LED, podem ser alcançados displays optoeletrônicos de ultra-alta definição e ultra-alta precisão.
A equipe de pesquisa realiza experimentos de pesquisa científica
Limitado por uma tecnologia de processo complexa, o custo de fabricação do micro-LED é extremamente alto. Além do mais, quando o tamanho do pixel é reduzido para cerca de 10 mícrons ou menos, a eficiência dos microLEDs cai drasticamente. Este é exatamente o tamanho de pixel necessário para aplicações AR/VR de alta resolução e alta resolução. O alto preço e a baixa eficiência luminosa limitam a possibilidade de aplicações comerciais em larga escala.
O LED perovskita é um novo tipo de fonte de luz que pode ser usado em exibição, iluminação, comunicações e outros campos. Possui grandes vantagens em pureza de cores e largura de gama de cores. Há alguns anos, inspirada pela pesquisa de miniaturização de micro-LEDs semicondutores III-V, a equipe de David De começou a desenvolver LEDs de perovskita menores para futuras tecnologias de exibição.
Após tentativas iniciais, a equipe propôs pela primeira vez o conceito de “LED microperovskita (micro-PeLED)” em 2021, e posteriormente obteve patentes nacionais e internacionais.
“Esculpindo” LEDs de perovskita menores
"A tecnologia micro-LED não pode ser usada para miniaturizar LEDs de perovskita. Além disso, o processo tradicional de fotolitografia destruirá o material de perovskita." David De disse que a maneira mais simples de fazer LEDs de microperovskita é padronizar os contatos dos eletrodos na parte superior e inferior e usar as áreas onde os eletrodos se sobrepõem para definir a área do pixel emissor de luz. No entanto, este método irá expor o material perovskita no limite do pixel até a borda do eletrodo, que é propenso à perda de energia não radiativa, reduzindo assim a eficiência do LED.
“Projetamos um conjunto de processos de contato local que podem introduzir janelas padronizadas feitas por fotolitografia na camada isolante adicional para garantir que a área do pixel fique longe da borda do eletrodo.” Lian Yaxiao apresentou.
Este processo garante efetivamente a eficiência luminosa dos LEDs e permite à equipe fabricar LEDs de perovskita com tamanhos de pixel que variam de centenas de mícrons a 90 nanômetros. Zhao Baodan disse: "Para LEDs de perovskita verdes e infravermelhos próximos, quando o tamanho do pixel varia de centenas de mícrons a 3,5 mícrons, a eficiência quântica externa permanece em torno de 20%."
Micro/nano-PeLED em comparação com outras tecnologias LED.
Os micro e nano-PeLEDs desenvolvidos pela equipe de pesquisa apresentam vantagens sobre os micro-LEDs baseados em semicondutores III-V. O efeito de redução de tamanho não começa até o tamanho extremamente pequeno de aproximadamente 180 nanômetros, momento em que a eficiência é reduzida para 50% do valor máximo. A eficiência dos micro-LEDs tradicionais caiu significativamente quando o tamanho é inferior a 10 mícrons.
David Di disse: "O nano-PeLED demonstrado no artigo pode atingir um mínimo de 90 nanômetros, que é o menor pixel de LED relatado até agora." Com base nisso, o conjunto de pixels de LED com resolução ultra-alta de 127.000 PPI criado pela equipe também estabeleceu o recorde de resolução mais alta de todos os tipos de conjuntos de LED.
Avanço ao "extremo"
Em termos de formação dos alunos, a equipa também tem uma filosofia própria - formar um impulso interior pessoal orientado para a resolução de problemas reais e difíceis. David De disse: “Explorar os limites e fazer o que é mais difícil e certo em campo é o objetivo de todos nós e une a força de toda a equipe”.
Foto da equipe
Falando sobre a natureza técnica do artigo, "os revisores lamentaram a enorme carga de trabalho por trás do artigo", disse Zhao Baodan: "Este artigo combina as principais tecnologias dominadas por todos os autores principais, e todos contribuíram com sua própria sabedoria e esforços".
Explorar os limites do desempenho do downsizing do LED surgiu da curiosidade da equipe, mas para estimular ainda mais a produtividade é necessário passar das descobertas laboratoriais às aplicações práticas.
Figura: Imagem apresentada por um microdisplay micro-PeLED de matriz ativa
Dispositivos de exibição práticos exigem circuitos programáveis para acionar conjuntos de LED e transmitir informações úteis, o que requer cooperação da indústria. Para tanto, a equipe trabalhou com a Hangzhou Lingzhi Technology para produzir um protótipo de um microdisplay micro-PeLED de matriz ativa acionado por um backplane TFT, que pode apresentar imagens e vídeos complexos, e atualmente está promovendo ativamente a aplicação da tecnologia.
"Estamos entusiasmados em ver o potencial significativo do micro e nano-PeLED como tecnologias de fonte de luz de próxima geração em monitores AR/VR e outros campos." David De disse.
Link do artigo: https://www.nature.com/articles/s41586-025-08685-w
(Partes de Wen Zhou Tianyu e Cha Meng/Tu Zheying são fornecidas pela equipe de pesquisa)