OLED vốn phải “in” bằng quy trình riêng: Vật liệu mới cho phép chế pixel như transistor — ảnh đa sắc chỉ 300 × 430 µm

Điểm nghẽn của OLED siêu nhỏ không chỉ nằm ở việc làm pixel bé hơn. Vật liệu hữu cơ phát sáng vốn không chịu được quy trình quang khắc tiêu chuẩn của ngành bán dẫn: các dung môi, chất hiện hình và những bước xử lý hóa học có thể làm hỏng chính phân tử tạo ánh sáng. Vì vậy, trong khi transistor được thu nhỏ bằng photolithography qua nhiều thập kỷ, lớp phát sáng của OLED vẫn thường phải được tạo bằng những quy trình riêng như bốc bay qua mặt nạ kim loại hoặc in.

Một nhóm nghiên cứu tại ETH Zurich vừa thử giải quyết sự lệch pha này từ cấp vật liệu. Trong công trình công bố trên Nature, họ tạo ra một họ polymer vừa phát sáng vừa đóng vai trò như photoresist, tức vật liệu nhạy sáng dùng để định hình các chi tiết trong chế tạo chip. Nhờ đó, phần phát sáng của OLED có thể được tạo hình trực tiếp bằng tia cực tím hoặc chùm electron thay vì phải né tránh photolithography.

Điều đáng chú ý nhất của thí nghiệm không phải một màn hình hoàn chỉnh, mà là mức độ thu nhỏ mà vật liệu mới cho phép. Nhóm đã tạo một ảnh đa sắc hình vẹt macaw kích thước chỉ 300 × 430 micromet, gồm 250 × 350 điểm ảnh. Ở các mẫu tạo bằng chùm electron, đường kính những nanodisk phát huỳnh quang nằm trong khoảng 150–600 nm, còn các cấu trúc thử nghiệm nhỏ nhất đạt kích thước tới 110 nm. Toàn bộ hình ảnh chỉ rộng vài phần mười milimet, ở cùng thang kích thước với những sinh vật đơn bào lớn.

Vì sao OLED không thể đơn giản dùng quy trình của transistor?

Photolithography hoạt động bằng cách phủ một lớp vật liệu nhạy sáng lên bề mặt, chiếu sáng theo một mẫu định trước rồi dùng hóa chất để loại bỏ phần cần bỏ đi. Cách làm này cho phép ngành bán dẫn lặp lại nhiều lớp với độ chính xác rất cao, từ đó tạo transistor và dây dẫn có kích thước ngày càng nhỏ.

Với OLED, vấn đề là lớp phát sáng lại làm từ các hợp chất hữu cơ tương đối nhạy cảm. Theo nhóm ETH Zurich, các dung môi và chất hiện hình thường dùng trong quang khắc có thể tấn công hoặc làm suy giảm các phân tử phát sáng. Các kỹ thuật như bốc bay chân không qua fine metal mask hay in phun tránh được phần nào vấn đề hóa học, nhưng độ phân giải và độ chính xác khi căn chỉnh nhiều lớp khó theo kịp những gì photolithography làm được trên silicon.

Đó là lý do nhóm nghiên cứu không chỉ tìm cách bảo vệ OLED khỏi photoresist. Họ biến vật liệu phát sáng thành chính photoresist.

Một phân tử hình “ngôi sao”: lõi phát sáng, vỏ chịu quang khắc

Vật liệu mới được nhóm gọi là electroluminescent photoresist (ELPR). Cấu trúc của nó là một polymer nhiều nhánh dạng ngôi sao, được tổng hợp bằng atom transfer radical polymerization. Ở tâm là phân tử phát sáng theo cơ chế thermally activated delayed fluorescence (TADF); bao quanh là một vùng polymer làm nhiệm vụ giữ và bảo vệ exciton; ngoài cùng là các nhóm có thể phản ứng và liên kết chéo khi được chiếu tia cực tím hoặc chùm electron.

Cách bố trí này tách hai chức năng vốn xung đột nhau. Phản ứng quang hóa diễn ra ở phần rìa của phân tử, trong khi lõi phát sáng được giữ cách xa vùng phản ứng. Khi chiếu UV, các nhánh ở khu vực được phơi sáng liên kết với nhau thành mạng polymer không tan. Phần không được chiếu có thể bị rửa đi bằng dung môi, để lại hoa văn phát sáng đúng vị trí cần thiết.

Nhóm tạo các phiên bản phát đỏ, xanh lá và xanh dương rồi lặp lại quy trình nhiều lần trên cùng một nền. Khả năng chịu được các bước xử lý nối tiếp là phần quan trọng: một lớp màu đã tạo xong phải sống sót qua dung môi và quang khắc dùng cho lớp màu tiếp theo mà không bị hòa tan hoặc nhiễm chéo.

110 nm không có nghĩa là đã có màn hình OLED 110 nm

Đây là chỗ dễ bị hiểu sai nhất từ những con số trong nghiên cứu. Mốc 110 nm là kích thước cấu trúc huỳnh quang được tạo bằng electron-beam lithography trên vật liệu ELPR. Hình con vẹt 300 × 430 µm cũng là ảnh huỳnh quang tĩnh: các điểm ảnh phát sáng khi được kích thích từ bên ngoài, chứ chưa phải từng pixel OLED được cấp điện và điều khiển độc lập.

Mẫu thiết bị phát sáng bằng điện mà nhóm thực sự trình diễn có kích thước lớn hơn. Họ dùng ba chu kỳ quang khắc liên tiếp để tạo các pixel đỏ, xanh lá và xanh dương hình tròn có đường kính 30 µm, rồi ghép chúng thành logo ETH. Mảng này phát điện quang ở 6 V và logo hoàn chỉnh có kích thước khoảng 1 × 2,4 mm.

Ở vật liệu ELPR xanh lá sau khi quang khắc, nhóm báo cáo hiệu suất lượng tử ngoài cực đại 13,3%. Đây là con số dành cho OLED được tạo từ photoresist phát sáng trực tiếp, không phải cho các mẫu nanodisk 110 nm. Paper cũng ghi nhận những polymer tiền chất chưa gắn chức năng photoresist có thể đạt EQE cao hơn 30% sau khi xử lý nhóm đầu mạch, nhưng hai con số này thuộc hai cấu hình vật liệu khác nhau và không nên gộp làm một.

Điều mới nằm ở khả năng đưa lớp phát sáng vào cùng “ngôn ngữ” chế tạo của chip

Nếu chỉ nhìn vào kích thước pixel, nghiên cứu này chưa phải một màn hình thương mại có mật độ điểm ảnh kỷ lục. Giá trị kỹ thuật nằm ở chỗ lớp phát sáng hữu cơ giờ có thể được định hình bằng chính họ quy trình lithography vốn dùng cho vi điện tử. Điều đó có thể giúp việc tích hợp nguồn sáng với CMOS trở nên trực tiếp hơn, thay vì chế tạo hai hệ riêng rồi ghép chúng bằng các bước chuyển hoặc căn chỉnh phức tạp.

Đây là hướng đặc biệt phù hợp với microdisplay cho kính thực tế tăng cường, nơi diện tích hiển thị rất nhỏ nhưng mật độ điểm ảnh phải cao. Cùng một khả năng tạo nguồn sáng cực nhỏ trên chip cũng có thể hữu ích cho photonics tích hợp, cảm biến, kính hiển vi hoặc các thiết bị sinh học cần kích thích ánh sáng chính xác tại một vùng rất hẹp.

ETH Zurich cũng nhấn mạnh một hướng khác: dùng các nguồn sáng hữu cơ siêu nhỏ để chiếu hoặc kích thích từng tế bào trong thiết bị nghiên cứu sinh học và thần kinh. Ở đây, ưu điểm không nằm ở việc hiển thị hình ảnh cho mắt người mà ở khả năng đặt ánh sáng đúng vị trí trên một chip có mạch điều khiển.

Khoảng cách tới màn hình thực tế vẫn còn lớn

Nhóm nghiên cứu chưa tạo một màn hình active-matrix hoàn chỉnh. Logo ETH là một mẫu OLED đa sắc phát sáng bằng điện, nhưng để biến nó thành màn hình, mỗi pixel còn cần mạch điều khiển độc lập và kiến trúc backplane tương ứng. ETH Zurich cho biết đây là một trong những bước tiếp theo.

Độ bền cũng là vấn đề chưa giải quyết. Trong thử nghiệm tuổi thọ, thiết bị ELPR xanh lá đã liên kết chéo đạt LT50 khoảng 146 phút ở mật độ dòng không đổi 2,4 mA/cm² sau khi nhóm tối ưu lớp vận chuyển điện tích và giảm tạp kim loại. Paper chỉ ra rằng lượng đồng dư từ quá trình tổng hợp polymer và các lớp vận chuyển điện tích vẫn giới hạn độ ổn định. Các tác giả cũng thừa nhận tuổi thọ vận hành còn kém OLED chế tạo bằng bốc bay chân không hiện đại.

Ngoài ra, thiết bị chỉ duy trì vận hành liên tục ở mật độ dòng khoảng 10 mA/cm² trở xuống để hạn chế gia nhiệt Joule và tránh đánh thủng sớm. Nói cách khác, nghiên cứu đã chứng minh một con đường chế tạo mới, nhưng chưa chứng minh được độ bền, khả năng điều khiển từng pixel hay quy trình sản xuất hàng loạt.

Điểm cần theo dõi tiếp theo vì thế không chỉ là liệu nhóm có thể đẩy kích thước cấu trúc xuống thấp hơn 110 nm hay không. Quan trọng hơn là họ có thể đưa độ phân giải đó vào một OLED phát sáng bằng điện, tích hợp nó với backplane CMOS và giữ hiệu suất cùng tuổi thọ ở mức phù hợp với thiết bị thực tế hay không. Nếu làm được, ranh giới giữa “quy trình làm màn hình” và “quy trình làm chip” sẽ bớt rõ hơn nhiều so với hiện nay.

Nguồn: Nature — Electroluminescent photoresists extending lithographic scaling to OLEDs; ETH Zurich.