Monolityczna integracja wielokolorowych matryc mikro- i nano-LEDów

Rewolucyjne źródła światła z wielokolorowych matryc mikro- i nano-LEDów

Dr hab. inż. Grzegorz Muzioł z Instytutu Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk w Warszawie pracuje nad technologią, która może zmienić sposób, w jaki widzimy świat – i to dosłownie. Realizowany przez niego projekt badawczy zatytułowany „Monolityczna integracja wielokolorowych matryc mikro- i nano-LEDów” polega na opracowaniu maleńkich, ale niezwykle zaawansowanych źródeł światła, które w przyszłości mogą znaleźć zastosowanie w takich urządzeniach jak np.: przezroczyste okulary do rozszerzonej rzeczywistości, implanty słuchowe czy mikroskopy o superrodzielczości. Badania te są finansowane z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki2021 -2027 (FENG) w działaniu FIRST TEAM realizowanym przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

„Nasz projekt opiera się na optoelektronice, czyli dziedzinie nauki, która łączy elektronikę i światło. Kluczową rolę odgrywają w niej półprzewodniki, czyli specjalne, hodowane w laboratorium kryształy, które potrafią zamieniać przepływający przez nie prąd elektryczny w światło. Na ich bazie tworzymy mikro- i nano-LEDy. Są to świecące diody o wielkości zaledwie kilku mikrometrów, umieszczone bardzo blisko siebie w formie matrycy. Taka matryca może działać jak ekran, który wyświetla obrazy, ale może też służyć jako bardzo precyzyjne źródło światła w wielu innych zastosowaniach” – tłumaczy dr hab. inż. Grzegorz Muzioł.

Jednym z najbardziej ekscytujących zastosowań są okulary do rozszerzonej rzeczywistości (augmented reality, AR). W przeciwieństwie do gogli VR, które całkowicie zasłaniają pole widzenia, technologia AR pozwala widzieć świat rzeczywisty i jednocześnie nakładać na niego wygenerowane komputerowo obrazy cyfrowe. Żeby to było możliwe, potrzebny jest specjalny, przezroczysty ekran, który z jednej strony przepuszcza światło z otoczenia, a z drugiej – potrafi wyświetlać obraz dokładnie tam, gdzie chcemy. I właśnie takie przezroczyste matryce mikro-LEDów tworzy zespół kierowany przez dr hab. inż. Grzegorza Muzioła.

Drugim fascynującym kierunkiem zastosowań jest medycyna, a konkretnie pomoc osobom niedosłyszącym. Utrata słuchu często wynika z uszkodzeń w uchu wewnętrznym, które przestaje przekazywać dźwięki do mózgu. Rozwiązaniem może być wszczepienie takim pacjentom miniaturowych źródeł światła, które zamieniają sygnał dźwiękowy na światło, które z kolei naświetla nerwy odpowiedzialne za słuch i aktywuje je do działania, czyli do przekazywania impulsów do mózgu.

Trzeci obszarem jest mikroskopia superrozdzielcza. Zwykłe mikroskopy mają swoje ograniczenia, wynikające z określonej długości fali świetlej, która przekłada się na tzw. limit dyfrakcyjny. Wyznacza on minimalną odległość pomiędzy dwoma punktamirozróżnialnymi przez układ optyczny, co w konsekwencji ogranicza to, jak małe obiekty możemy zobaczyć. Naukowcy na całym świecie szukają rożnych sposobów na pokonanie limitu dyfrakcyjnego, a jednym z rozwiązań tego problemu jest właśnie wykorzystanie nano-LEDów. Dzięki bardzo niewielkim rozmiarom tych źródeł światła, możliwe jest obserwowanie obiektów o rozmiarach poniżej limitu dyfrakcyjnego, np. mikrostruktur komórkowych czy nanomateriałów.

„Podstawą opracowywanych przez nas źródeł światła są specjalne kryształy półprzewodnikowe, które samodzielnie wytwarzamy w naszym laboratorium. Są to kryształy azotku galu (GaN), czyli materiał stworzony z galu i azotu. Na takich kryształach hodujemy ekstremalnie cienkie warstwy z dodatkiem indu – i to one świecą wtedy, gdy przepływa przez nie prąd. Na końcu cały układ jest poddawany procesowi nanoszenia odpowiednich metalowych ścieżek na kryształ, tak aby prąd mógł przepływać w ściśle kontrolowany sposób. Nasza metoda hodowli warstw krystalicznych jest unikalna, zupełnie inna niż metody stosowane przez wielkie światowe firmy zajmujące się optoelektroniką i pracujące nad azotkiem galu i LEDami. Mamy nadzieję, że nasze rozwiązanie będzie bardziej precyzyjne, tańsze i bardziej efektywne” – podkreśla dr inż. Grzegorz Muzioł.

Dr inż. Grzegorz Muzioł jest absolwentem Wydziału Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Politechniki Gdańskiej. Stopień doktora uzyskał w Instytucie Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk. Jest współautorem ponad 80 publikacji naukowych, a do najważniejszych jego osiągnięć należą: uzyskanie niebieskich diod laserowych o maksymalnej mocy optycznej 0,5 W pracujących w trybie ciągłym, o przewidywanej żywotności 100 000 godzin; opracowanie metody całkowitej eliminacji pasożytniczego wycieku modów do podłoża diody laserowej skutkującej bardzo wysoką jakością wiązki optycznej; a także pierwsza na świecie demonstracja azotkowej diody laserowej wyprodukowanej bez użycia aluminium. Dr hab. inż. Grzegorz Muzioł jest ekspertem w dziedzinie wzrostu epitaksjalnego GaN i wytwarzania azotkowych urządzeń optoelektronicznych i elektronicznych. W obszarze jego zainteresowań jest także charakteryzacja urządzeń i modelowanie teoretyczne.