Новая платформа Массачусетского технологического института (MIT) позволяет «выращивать» нанокристаллы галоидного перовскита со сверхточным контролем расположения и размера, интегрируя их в наноразмерные светоизлучающие диоды. Об этом сообщает официальный сайт MIT. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
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 вариантов применений, 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 в США создали метод, который позволяет выращивать отдельные нанокристаллы галогенидного перовскита именно на той позиции, где это необходимо – с точностью его месторасположения до 50 нанометров. (Для сравнения: толщина листа бумаги составляет 100 000 нм).
С помощью этого метода можно точно задавать и размер нанокристаллов, что также влияет на их характеристики. Поскольку материал выращивается локально с желаемыми характеристиками, обычные этапы литографического моделирования не нужны.
Интеграция галогенидных перовскитов в наноразмерные устройства на кристалле чрезвычайно сложна с использованием традиционных методов изготовления наноразмеров. Помимо использования литографических процессов, которые нередко приводят к повреждению исходного материала, при другом традиционном подходе сначала формируют в растворе более мелкие кристаллы, а затем собирают их и помещают из раствора в желаемую форму.
«В обоих этих случаях не хватает контроля, разрешения и возможностей интеграции, что создает сложности для применения материала в наноустройствах», – указывает Фарназ Нироуи, научная сотрудница Исследовательской лаборатории электроники (RLE) MIT и одна из ведущих авторов новой разработки.
Новый метод MIT является масштабируемым, универсальным и совместимым с обычными этапами изготовления, поэтому он может позволить интегрировать нанокристаллы в функциональные наноразмерные устройства. Исследователи в качестве демонстрации изготовили массивы наноразмерных светоизлучающих диодов (nanoLED), которые 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.
Суть нового техпроцесса, разработанного Нироуи и ее коллегами, 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.
Далее раствор, содержащий галоидный материал для роста перовскита, наносят на матрицу, и по мере испарения растворителя материал растет и образует крошечные кристаллы в каждой лунке.
Исследователи также обнаружили, что форма лунок играет решающую роль в управлении положением нанокристаллов. Если используются квадратные лунки, кристаллы имеют равные шансы попасть в каждый из четырех углов лунки. Для некоторых задач этого может быть вполне достаточно, но для других необходима более высокая точность размещения нанокристаллов.
Изменяя форму лунки, исследователи смогли спроектировать 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», – отметила Нироуи.
В дальнейшем ее исследовательская группа намерена изучить больше вариантов потенциальных применений наноразмерных источников света. Они также хотят проверить пределы того, насколько миниатюрными 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.