Дырявый бутерброд

Хороши сейчас ЖК-дисплеи. Но, к сожалению, у работающих на просвет жидких кристаллов есть принципиальные ограничения. Хорошо известны и альтернативные технологии, которые, однако, ещё только на пути к потребителю.

Хороши сейчас ЖК-дисплеи. Даже в дешёвых моделях прогресс последних лет заметен невооруженным глазом. Но хочется большего - например, побродить по Интернету, лежа на солнечном пляже. Или рассматривать фотографии большой компанией так, чтобы каждый видел снимки с нормальной цветопередачей. К сожалению, несмотря на все ухищрения, у работающих на просвет жидких кристаллов есть принципиальные ограничения. Хорошо известны и альтернативные технологии, которые, однако, ещё только на пути к потребителю.

Взять хотя бы технологию SED/FED, сочетающую высокую контрастность дисплеев, превосходную цветопередачу и широкие углы обзора на уровне классических CRT-мониторов.

В SED/FED-устройствах каждый фосфорный пиксель обстреливается своей миниатюрной электронной пушкой. Эту технологию вылизывают уже больше двадцати лет, на выставках показывают рабочие прототипы больших телевизоров, но до массового производства дело так и не дошло. Возможно, производители боятся конкуренции с потенциально более эффективной технологией OLED. Но пока экраны на её основе прижились только в мобильных устройствах, а большие экраны - дело будущего. Главная проблема заключается в недолговечности дисплеев на основе органических светодиодов. Так что места для идей предостаточно.

Принципиально новый наноисточник света, который можно разместить даже в чипе, недавно предложила интернациональная команда учёных (из Великобритании, Тайваня и Испании). Свое детище они назвали "световым колодцем" (lightwell). "Колодец" обладает высокой интенсивностью свечения и способностью плавно изменять частоту излучения. Эти свойства уникальны и обещают широчайший спектр приложений, которые не ограничиваются только дисплеями.

Новый источник света отличается от обычных полупроводниковых светодиодов или лазеров, в которых квант света излучается при перескоке электрона из одного квантового состояния в другое. Принцип работы светового колодца скорее схож с экзотическими лазерами на свободных электронах. В таких устройствах электроны, разогнанные ускорителем почти до скорости света, пролетают мимо длинной гребёнки из магнитов. Она создает периодическое магнитное поле, в котором электроны начинают колебаться и излучать фотоны. Меняя скорость электронов, частоту излучения такого лазера можно плавно сдвигать. Лазеры на свободных электронах сегодня являются одними из рекордсменов по яркости излучаемого света. Они могут работать в любом диапазоне электромагнитных волн - от рентгеновского до инфракрасного и даже терагерцового. Однако типичный лазер на свободных электронах представляет собой громоздкое и дорогое сооружение, занимающее небольшую комнату.

В рабочем прототипе светового колодца вместо сложной гребёнки из магнитов используется дырка диаметром около 700 нм, прожжённая в многослойном бутерброде из чередующихся слоёв металла и диэлектрика. В своем эксперименте учёные использовали пять слоев золота и шесть слоев диоксида кремния (каждый толщиною по 200 нм), которые вырастили на обычном кремниевом чипе. С помощью сканирующего электронного микроскопа через дырку пропускали пучок электронов диаметром около 30 нм. Дырка излучала сразу две широких полосы в районе 830 и 910 нм. Если энергию электронов с первоначальных 20 кэВ увеличивали вдвое, то длина волны максимумов уменьшалась до 750 и 800 нм. Этот сравнительно простой эксперимент убедительно доказал работоспособность концепции.

Полноценной теории светового колодца пока нет. Авторы объясняют наблюдаемое свечение периодическим возникновением виртуальных диполей из-за разного характера взаимодействия электронов пучка со слоями металла и диэлектрика. Пока грубая модель позволяет описать основные закономерности работы нового источника, однако теоретикам придется учесть ещё релятивистские эффекты, образование в дырке поверхностных плазмонов и многие другие тонкости.

Разумеется, прототип нового источника не выдерживает никакой критики. Пик излучения чересчур широк и дублирован, колодец светит в широком диапазоне углов и с ужасающе низкой эффективностью - всего два-четыре фотона на каждые сто тысяч электронов. Кроме того, использование громоздкого оборудования для создания высококачественного электронного пучка сводит на нет главное достоинство колодца - его миниатюрность. Однако экспериментаторы не унывают и обещают вскоре улучшить все параметры. Более узким и эффективным пучок можно сделать, просто увеличив количество слоев в бутерброде. Подобрав энергию электронов, диаметр дырки и толщину слоев, удастся заставить колодец излучать в любом диапазоне. А вместо электронного микроскопа можно использовать миниатюрный источник электронов, наподобие тех, что применяются в SED/FED-прототипах.

Но скептики не верят в славное коммерческое будущее новых источников. Дело в том, что в "колодцах" вряд ли удастся избежать образования поверхностных плазмонов, а с ними и значительных потерь энергии. Есть проблемы и с компактными источниками электронов, требующими высокого напряжения, что усложняет конструкцию. Так что станет ли блестящая идея основой массовых устройств - большой вопрос.

Из еженедельника "Компьютерра" № 29 (793)