Forskere dyrker præcise arrays af LED'er i nanoskala

Halidperovskiter er en familie af materialer, der har tiltrukket sig opmærksomhed for deres overlegne optoelektroniske egenskaber og potentielle anvendelser i enheder som højtydende solceller, lysemitterende dioder og lasere.

Disse materialer er stort set blevet implementeret i tyndfilms- eller mikronstørrelsesanordningsapplikationer. Netop integration af disse materialer på nanoskala kan åbne op for endnu mere bemærkelsesværdige applikationer, såsom on-chip lyskilder, fotodetektorer og memristorer. Det er dog fortsat udfordrende at opnå denne integration, fordi dette sarte materiale kan blive beskadiget af konventionel fremstilling og mønsterteknikker.

For at overvinde denne forhindring skabte MIT-forskere en teknik, der tillader individuelle halogenid-perovskit-nanokrystaller at blive dyrket på stedet, hvor det er nødvendigt med præcis kontrol over placeringen, til inden for mindre end 50 nanometer. (Et ark papir er 100.000 nanometer tykt.) Størrelsen af ​​nanokrystallerne kan også styres præcist gennem denne teknik, hvilket er vigtigt, fordi størrelsen påvirker deres egenskaber. Da materialet dyrkes lokalt med de ønskede egenskaber, er der ikke behov for konventionelle litografiske mønstre, der kan forårsage skade.

Teknikken er også skalerbar, alsidig og kompatibel med konventionelle fremstillingstrin, så den kan gøre det muligt for nanokrystallerne at blive integreret i funktionelle enheder i nanoskala. Forskerne brugte dette til at fremstille arrays af lysemitterende dioder i nanoskala (nanoLED'er) - små krystaller, der udsender lys, når de aktiveres elektrisk. Sådanne arrays kunne have applikationer inden for optisk kommunikation og databehandling, linseløse mikroskoper, nye typer kvantelyskilder og skærme med høj tæthed og høj opløsning til augmented og virtual reality.

"Som vores arbejde viser, er det afgørende at udvikle nye tekniske rammer for integration af nanomaterialer i funktionelle nanoenheder. Ved at bevæge sig forbi de traditionelle grænser for nanofabrikation, materialeteknik og enhedsdesign, kan disse teknikker give os mulighed for at manipulere stof på ekstrem nanoskala dimensioner, der hjælper os med at realisere ukonventionelle enhedsplatforme, der er vigtige for at imødekomme nye teknologiske behov," siger Farnaz Niroui, EE Landsman Career Development Assistant Professor of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), medlem af Research Laboratory of Electronics (RLE), og seniorforfatter til et nyt papir, der beskriver arbejdet.

Nirouis medforfattere inkluderer hovedforfatter Patricia Jastrzebska-Perfect, en EECS-kandidatstuderende; Weikun "Spencer" Zhu, en kandidatstuderende ved Institut for Kemiteknik; Mayuran Saravanapavanantham, Sarah Spector, Roberto Brenes og Peter Satterthwaite, alle EECS-kandidatstuderende; Zheng Li, en RLE postdoc; og Rajeev Ram, professor i elektroteknik. Forskningen vil blive offentliggjort i Nature Communications .

Små krystaller, store udfordringer

Det er ekstremt vanskeligt at integrere halogenidperovskiter i on-chip nanoskala-enheder ved brug af konventionelle nanoskala-fremstillingsteknikker. I en fremgangsmåde kan en tynd film af skrøbelige perovskitter mønstres ved hjælp af litografiske processer, som kræver opløsningsmidler, der kan beskadige materialet. I en anden fremgangsmåde dannes mindre krystaller først i opløsning og derefter plukkes og placeres fra opløsning i det ønskede mønster.

"I begge tilfælde er der mangel på kontrol, opløsning og integrationsevne, hvilket begrænser, hvordan materialet kan udvides til nanoenheder," siger Niroui.

I stedet udviklede hun og hendes team en tilgang til at "dyrke" halogenidperovskitkrystaller på præcise steder direkte på den ønskede overflade, hvor nanoenheden derefter vil blive fremstillet.

Kernen i deres proces er at lokalisere den løsning, der bruges i nanokrystalvæksten. For at gøre det laver de en nanoskala skabelon med små brønde, der indeholder den kemiske proces, hvorigennem krystaller vokser. De modificerer overfladen af ​​skabelonen og indersiden af ​​brøndene og kontrollerer en egenskab kendt som "befugtningsevne", så en opløsning, der indeholder perovskitmateriale, ikke samler sig på skabelonoverfladen og vil blive begrænset inde i brøndene.

"Nu har du disse meget små og deterministiske reaktorer, inden for hvilke materialet kan vokse," siger hun.

Og det er præcis, hvad der sker. De påfører skabelonen en opløsning indeholdende halogenidperovskit-vækstmateriale, og efterhånden som opløsningsmidlet fordamper, vokser materialet og danner en lille krystal i hver brønd.

En alsidig og justerbar teknik

Forskerne fandt ud af, at formen på brøndene spiller en afgørende rolle i styringen af ​​nanokrystalpositioneringen. Hvis der anvendes firkantede brønde, har krystallerne på grund af påvirkning af nanoskalakræfter lige stor chance for at blive placeret i hvert af brøndens fire hjørner. For nogle applikationer kan det være godt nok, men for andre er det nødvendigt at have en højere præcision i nanokrystalplaceringen.

Ved at ændre formen på brønden var forskerne i stand til at konstruere disse nanoskalakræfter på en sådan måde, at en krystal fortrinsvis placeres på det ønskede sted.

Når opløsningsmidlet fordamper inde i brønden, oplever nanokrystallen en trykgradient, der skaber en retningsbestemt kraft, hvor den nøjagtige retning bestemmes ved hjælp af brøndens asymmetriske form.

"Dette giver os mulighed for at have meget høj præcision, ikke kun i vækst, men også i placeringen af ​​disse nanokrystaller," siger Niroui.

De fandt også ud af, at de kunne kontrollere størrelsen af ​​den krystal, der dannes inde i en brønd. Ændring af størrelsen af ​​brøndene for at tillade mere eller mindre vækstløsning indeni genererer større eller mindre krystaller.

De demonstrerede effektiviteten af ​​deres teknik ved at fremstille præcise arrays af nanoLED'er. I denne tilgang er hver nanokrystal lavet til en nanopixel, som udsender lys. Disse high-density nanoLED-arrays kunne bruges til on-chip optisk kommunikation og databehandling, kvantelyskilder, mikroskopi og højopløsningsskærme til augmented og virtual reality-applikationer.

I fremtiden ønsker forskerne at udforske flere potentielle anvendelser for disse små lyskilder. De ønsker også at teste grænserne for, hvor små disse enheder kan være, og arbejde for effektivt at inkorporere dem i kvantesystemer. Ud over lyskilder i nanoskala åbner processen også op for andre muligheder for at udvikle halogenid-perovskit-baserede on-chip nanoenheder.

Deres teknik giver også en lettere måde for forskere at studere materialer på det individuelle nanokrystalniveau, som de håber vil inspirere andre til at udføre yderligere undersøgelser af disse og andre unikke materialer.

"At studere materialer i nanoskala gennem high-throughput metoder kræver ofte, at materialerne er præcist lokaliserede og konstrueret i den skala," tilføjer Jastrzebska-Perfect. "Ved at give den lokaliserede kontrol kan vores teknik forbedre, hvordan forskere undersøger og justerer materialers egenskaber til forskellige anvendelser."

Flere oplysninger: On-site vækst af perovskite nanokrystal arrays til integrerede nanoenheder, Nature Communications (2023). dx.doi.org/10.1038/s41467-023-39488-0

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Massachusetts Institute of Technology