Среда, 21 февраля, 2024
ДомойТехнологииИнновации в области нанотехнологий в оптоэлектронике: Массачусетский технологический институт выращивает точные массивы...

Инновации в области нанотехнологий в оптоэлектронике: Массачусетский технологический институт выращивает точные массивы наносветодиодов

- Advertisement -

Новая платформа Массачусетского технологического института позволяет исследователям «выращивать» нанокристаллы галоидного перовскита с точным контролем расположения и размера каждого отдельного кристалла, интегрируя их в наноразмерные светоизлучающие диоды. На снимке показан массив нанокристаллов, излучающий свет. Предоставлено: Сэмпсон Уилкокс, RLE.

Новая технология производит нанокристаллы перовскита именно там, где они нужны, поэтому чрезвычайно тонкие материалы можно интегрировать в производство. наномасштаб устройства.

Исследователи в Массачусетский технологический институт разработали новаторский метод точного выращивания нанокристаллов галогенидного перовскита, устраняющий необходимость в повреждающих методах изготовления. Этот метод помогает в разработке наносветодиодов и других функциональных наноразмерных устройств, обладающих потенциалом для достижений в области оптической связи, вычислений и технологий отображения с высоким разрешением.

Галогенидные перовскиты — это семейство материалов, которые привлекли внимание своими превосходными оптоэлектронными свойствами и потенциальными применениями в таких устройствах, как высокоэффективные солнечные элементы, светодиоды и лазеры.

Эти материалы широко используются в тонкопленочных или микронных устройствах. Точная интеграция этих материалов в наномасштабе может открыть еще больше замечательных приложений, таких как встроенные источники света, фотодетекторы и мемристоры. Однако достижение этой интеграции остается сложной задачей, поскольку этот хрупкий материал может быть поврежден обычными методами изготовления и моделирования.

Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи Массачусетского технологического института создали метод, который позволяет выращивать отдельные нанокристаллы галогенидного перовскита на месте, где это необходимо, с точным контролем местоположения, с точностью до 50 нанометров. (Толщина листа бумаги составляет 100 000 нанометров.) Размер нанокристаллов также можно точно контролировать с помощью этого метода, что важно, поскольку размер влияет на их характеристики. Поскольку материал выращивается локально с желаемыми характеристиками, обычные этапы литографического моделирования, которые могут привести к повреждению, не нужны.

Нанокристаллы перовскита Точные массивы наносветодиодов

Массивы nanoLED, подобные изображенному здесь, могут найти применение в оптической связи и вычислениях, безлинзовых микроскопах, новых типах квантовых источников света и дисплеях с высокой плотностью и высоким разрешением для дополненной и виртуальной реальности. Кредит: Предоставлено исследователями.

Этот метод также является масштабируемым, универсальным и совместимым с обычными этапами изготовления, поэтому он может позволить интегрировать нанокристаллы в функциональные наноразмерные устройства. Исследователи использовали это для изготовления массивов наноразмерных светоизлучающих диодов (nanoLED) — крошечных кристаллов, излучающих свет при электрической активации. Такие массивы могут найти применение в оптической связи и вычислениях, безлинзовых микроскопах, новых типах квантовых источников света и дисплеях с высокой плотностью и высоким разрешением для дополненной и виртуальной реальности.

«Как показывает наша работа, крайне важно разработать новые инженерные основы для интеграции наноматериалов в функциональные наноустройства. Выйдя за традиционные границы нанопроизводства, материаловедения и проектирования устройств, эти методы могут позволить нам манипулировать материей в экстремальных наноразмерах, помогая нам создавать нетрадиционные платформы устройств, важные для удовлетворения новых технологических потребностей», — говорит Фарназ Нироуи, доцент кафедры электротехники и информатики EE Landsman (EECS), член Исследовательской лаборатории электроники (RLE) и старший автор новой статьи, описывающей работу.

Среди соавторов Нироуи ведущий автор Патрисия Ястржебска-Перфект, аспирантка EECS; Вейкун «Спенсер» Чжу, аспирант кафедры химического машиностроения; Маюран Сараванапаванантам, Сара Спектор, Роберто Бренес и Питер Саттертуэйт, аспиранты EECS; Чжэн Ли, постдок RLE; и Раджив Рам, профессор электротехники. Исследование было опубликовано 6 июля в журнале Связь с природой.

Крошечные кристаллы, огромные проблемы

Интеграция галогенидных перовскитов в наноразмерные устройства на кристалле чрезвычайно сложна с использованием традиционных методов изготовления наноразмеров. В одном подходе тонкая пленка хрупких перовскитов может быть сформирована с использованием литографических процессов, которые требуют растворителей, которые могут повредить материал. В другом подходе сначала формируют в растворе более мелкие кристаллы, а затем собирают и помещают из раствора в желаемую форму.

«В обоих случаях не хватает контроля, разрешения и возможностей интеграции, что ограничивает возможности применения материала в наноустройствах», — говорит Нироуи.

Вместо этого она и ее команда разработали подход к «выращиванию» кристаллов галоидного перовскита в точных местах непосредственно на желаемой поверхности, где затем будет изготовлено наноустройство.

Суть их процесса заключается в локализации раствора, используемого при выращивании нанокристаллов. Для этого они создают наноразмерный шаблон с небольшими лунками, в которых содержится химический процесс, посредством которого растут кристаллы. Они модифицируют поверхность шаблона и внутреннюю часть лунок, контролируя свойство, известное как «смачиваемость», поэтому раствор, содержащий перовскит, не скапливается на поверхности шаблона и остается внутри лунок.

«Теперь у вас есть эти очень маленькие и детерминированные реакторы, внутри которых может расти материал», — говорит она.

И это именно то, что происходит. Они наносят раствор, содержащий галоидный материал для роста перовскита, на матрицу, и по мере испарения растворителя материал растет и образует крошечные кристаллы в каждой лунке.

Универсальная и настраиваемая техника

Исследователи обнаружили, что форма лунок играет решающую роль в управлении положением нанокристаллов. Если используются квадратные лунки, из-за влияния наномасштабных сил кристаллы имеют равные шансы попасть в каждый из четырех углов лунки. Для некоторых приложений этого может быть достаточно, но для других необходима более высокая точность размещения нанокристаллов.

Изменив форму лунки, исследователи смогли спроектировать эти наномасштабные силы таким образом, чтобы кристалл располагался предпочтительно в нужном месте.

Когда растворитель испаряется внутри лунки, нанокристалл испытывает градиент давления, который создает направленную силу, при этом точное направление определяется с помощью асимметричной формы лунки.

«Это позволяет нам иметь очень высокую точность не только при выращивании, но и при размещении этих нанокристаллов», — говорит Нироуи.

Они также обнаружили, что могут контролировать размер кристалла, образующегося внутри колодца. Изменение размера лунок, позволяющее увеличить или уменьшить рост раствора внутри, приводит к образованию кристаллов большего или меньшего размера.

Они продемонстрировали эффективность своей техники, изготовив точные массивы наносветодиодов. В этом подходе каждый нанокристалл превращается в нанопиксель, излучающий свет. Эти массивы наносветодиодов высокой плотности могут использоваться для встроенной оптической связи и вычислений, источников квантового света, микроскопии и дисплеев с высоким разрешением для приложений дополненной и виртуальной реальности.

В будущем исследователи хотят изучить больше потенциальных применений этих крошечных источников света. Они также хотят проверить пределы того, насколько маленькими могут быть эти устройства, и работать над их эффективным внедрением в квантовые системы. Помимо наноразмерных источников света, этот процесс также открывает другие возможности для разработки внутричиповых наноустройств на основе галогенидного перовскита.

Их метод также предоставляет исследователям более простой способ изучения материалов на уровне отдельных нанокристаллов, что, как они надеются, вдохновит других на проведение дополнительных исследований этих и других уникальных материалов.

«Изучение наноразмерных материалов с помощью высокопроизводительных методов часто требует, чтобы материалы были точно локализованы и спроектированы в этом масштабе», — добавляет Ястржебска-Перфект. «Обеспечивая этот локализованный контроль, наша техника может улучшить то, как исследователи исследуют и настраивают свойства материалов для различных приложений».

«Команда разработала очень умный метод детерминированного синтеза отдельных нанокристаллов перовскита на подложках. Они могут контролировать точное размещение нанокристаллов в беспрецедентном масштабе, что позволяет создать платформу для изготовления высокоэффективных наноразмерных светодиодов на основе отдельных нанокристаллов», — говорит Али Джави, профессор электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли, который не участвовал в этом исследовании. «Это захватывающая работа, поскольку она решает фундаментальную проблему в этой области».

Ссылка: «Выращивание на месте массивов нанокристаллов перовскита для интегрированных наноустройств», Патриция Ястржебска-Перфект, Вейкун Чжу, Маюран Сараванапаванантам, Чжэн Ли, Сара О. Спектор, Роберто Бренес, Питер Ф. Саттертуэйт, Раджив Дж. Рам и Фарназ Нироуи, 6 июля 2023 г., Связь с природой.
DOI: 10.1038/s41467-023-39488-0

Эта работа была частично поддержана Национальным научным фондом и Центром квантовой инженерии Массачусетского технологического института.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме