Ny klasse af bløde halvledere kunne transformere HD-skærme

En ny type halvleder kan være på vej til et high-definition display nær dig. Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har vist, at en klasse af halvledere kaldet halogenidperovskitter er i stand til at udsende flere, lyse farver fra en enkelt nanotråd ved opløsninger så små som 500 nanometer.

Fundene, offentliggjort online i denne uge i den tidlige udgave af Proceedings of the National Academy of Sciences , repræsenterer en klar udfordring for kvanteprikker, der er afhængige af traditionelle halvledernanokrystaller til at udsende lys. Det kan også påvirke udviklingen af ​​nye applikationer inden for optoelektronik, solcelleanlæg, nanoskopiske lasere, og ultrafølsomme fotodetektorer, blandt andre.

Forskerne brugte elektronstrålelitografi til at fremstille halogenidperovskit nanotråds-heterojunctions, forbindelsen mellem to forskellige halvledere. I enhedsapplikationer, heterojunctions bestemmer energiniveauet og båndgab-karakteristika, og betragtes derfor som en vigtig byggesten i moderne elektronik og solceller.

Forskerne påpegede, at gitteret i halogenidperovskitter holdes sammen af ​​ioniske i stedet for kovalente bindinger. I ionbindinger, atomer med modsatte ladninger tiltrækkes af hinanden og overfører elektroner til hinanden. Kovalente bindinger, i modsætning, opstår, når atomer deler deres elektroner med hinanden.

"Med uorganisk halogenid perovskit, vi kan nemt bytte anionerne i ionbindingerne, mens vi bibeholder materialernes enkeltkrystallinske natur, " sagde undersøgelsens hovedefterforsker Peidong Yang, senior fakultetsforsker ved Berkeley Labs Materials Sciences Division. "Dette giver os mulighed for nemt at omkonfigurere strukturen og sammensætningen af ​​materialet. Det er derfor, at halogenidperovskiter betragtes som bløde gitterhalvledere. Kovalente bindinger, i modsætning, er relativt robuste og kræver mere energi at ændre. Vores undersøgelse viste dybest set, at vi stort set kan ændre sammensætningen af ​​ethvert segment af denne bløde halvleder."

I dette tilfælde, forskerne testede cæsium blyhalogenid perovskit, og så brugte de en almindelig nanofremstillingsteknik kombineret med anionbytterkemi til at udskifte halogenidionerne for at skabe cæsium blyiodid, bromid, og chloridperovskitter.

Hver variation resulterede i en anden farve udsendt. I øvrigt, forskerne viste, at flere heterojunctions kunne konstrueres på en enkelt nanotråd. De var i stand til at opnå en pixelstørrelse ned til 500 nanometer, og de fastslog, at farven på materialet kunne indstilles gennem hele området af synligt lys.

Forskerne sagde, at den kemiske opløsningsbehandlingsteknik, der bruges til at behandle denne klasse af bløde, ionbundne halvledere er langt enklere end metoder, der bruges til at fremstille traditionelle kolloide halvledere.

"For konventionelle halvledere, at fremstille krydset er ret kompliceret og dyrt, " sagde studielederforfatter Letian Dou, som udførte arbejdet som postdoc i Yangs laboratorium. "Høje temperaturer og vakuumforhold er normalt involveret for at kontrollere materialernes vækst og doping. Netop styring af materialernes sammensætning og egenskaber er også udfordrende, fordi konventionelle halvledere er 'hårde' på grund af stærk kovalent binding."

For at bytte anionerne i en blød halvleder, materialet gennemblødes i en speciel kemisk opløsning ved stuetemperatur.

"Det er en simpel proces, og det er meget nemt at skalere op, " sagde Yang, som også er professor i kemi ved UC Berkeley. "Du behøver ikke tilbringe lange timer i et rent rum, og du behøver ikke høje temperaturer."

Forskerne fortsætter med at forbedre opløsningen af ​​disse bløde halvledere, og arbejder på at integrere dem i et elektrisk kredsløb.