Исследователи, создают новую технологию nanoLED

Галогенидные перовскиты - это семейство материалов, которые привлекли внимание своими превосходными оптоэлектронными свойствами и потенциальным применением в таких устройствах, как высокоэффективные солнечные элементы, светоизлучающие диоды и лазеры.

Эти материалы в значительной степени были применены в устройствах тонкопленочного или микронного размера. Точная интеграция этих материалов на наноуровне может открыть еще более замечательные области применения, такие как встроенные источники света, фотоприемники и мемристоры. Однако достижение такой интеграции оставалось сложной задачей, поскольку этот деликатный материал может быть поврежден обычными методами изготовления и нанесения рисунка.

Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи Массачусетского технологического института создали технологию, которая позволяет выращивать отдельные нанокристаллы галогенида перовскита на месте, где это необходимо, с точным контролем местоположения с точностью менее 50 нанометров. (Толщина листа бумаги составляет 100 000 нанометров.) С помощью этого метода также можно точно контролировать размер нанокристаллов, что важно, поскольку размер влияет на их характеристики. Поскольку материал выращивается локально с желаемыми характеристиками, не требуются обычные этапы нанесения литографского рисунка, которые могли бы привести к повреждению.

Технология также масштабируема, универсальна и совместима с обычными этапами изготовления, поэтому она может позволить интегрировать нанокристаллы в функциональные наноразмерные устройства. Исследователи использовали это для изготовления массивов наноразмерных светодиодов (nanoLEDs) — крошечных кристаллов, которые излучают свет при электрической активации. Такие матрицы могли бы найти применение в оптической связи и вычислительной технике, микроскопах без линз, новых типах квантовых источников света и дисплеях высокой плотности с высоким разрешением для дополненной и виртуальной реальности.

•Крошечные кристаллы, огромные проблемы

Интеграция галогенидных перовскитов в наноразмерные устройства на кристалле чрезвычайно сложна при использовании традиционных технологий изготовления наноразмерных материалов. В одном подходе тонкая пленка хрупких перовскитов может быть нанесена с использованием литографских процессов, для которых требуются растворители, которые могут повредить материал. При другом подходе более мелкие кристаллы сначала формируются в растворе, а затем извлекаются и размещаются из раствора по желаемому рисунку.

"В обоих случаях отсутствует контроль, разрешение и возможности интеграции, что ограничивает возможности распространения материала на наноустройства", - говорит Нируи.

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

Суть их процесса заключается в локализации раствора, который используется при выращивании нанокристаллов. Для этого они создают наноразмерную матрицу с маленькими лунками, которые содержат химический процесс, посредством которого растут кристаллы. Они изменяют поверхность шаблона и внутреннюю часть лунок, контролируя свойство, известное как "смачиваемость", поэтому раствор, содержащий перовскитовый материал, не будет скапливаться на поверхности шаблона и будет удерживаться внутри лунок.

"Теперь у вас есть эти очень маленькие и детерминированные реакторы, внутри которых материал может расти", - говорит она.

И это именно то, что происходит. Они наносят на шаблон раствор, содержащий материал для выращивания галоидного перовскита, 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 позиционированием нанокристаллов. Если используются квадратные лунки, то из-за влияния наноразмерных сил кристаллы имеют равные шансы быть размещенными в каждом из четырех углов лунки. Для некоторых применений этого может быть достаточно, но для других необходима более высокая точность размещения нанокристаллов.

Изменив форму лунки, исследователи смогли спроектировать эти наноразмерные силы таким образом, чтобы кристалл был предпочтительно размещен в нужном месте.

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

"Это позволяет нам добиться очень высокой точности не только в выращивании, но и в размещении этих нанокристаллов", - говорит Нируи.

Они также обнаружили, что могут контролировать размер кристалла, который образуется внутри лунки. Изменение размера лунок для обеспечения большего или меньшего роста раствора внутри приводит к образованию кристаллов большего или меньшего размера.

Они продемонстрировали эффективность своей методики, изготовив точные массивы нанослоев. При таком подходе каждый нанокристалл превращается в нанопиксель, который излучает свет. Эти массивы nanoLED высокой плотности могут быть использованы для встроенной оптической связи и вычислений, квантовых источников света, микроскопии и дисплеев высокого разрешения для приложений дополненной и виртуальной реальности.

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

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