研究人員培養(yǎng)了精確的納米LED陣列

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鹵化物鈣鈦礦是一系列材料，因其卓越的光電性能和在高性能太陽能電池、發(fā)光二極管和激光等設(shè)備中的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。

這些材料已主要應(yīng)用于薄膜或微米大小的設(shè)備應(yīng)用中。在納米尺度上精確集成這些材料可以打開更顯著的應(yīng)用，如片上光源、光電探測器和存儲器。然而，實(shí)現(xiàn)這種集成仍然具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@種精致的材料可能會被傳統(tǒng)的制造和圖案技術(shù)損壞。

為了克服這一障礙，麻省理工學(xué)院研究人員創(chuàng)造了一種技術(shù)，允許單個鹵化物鈣鈦礦納米晶體在需要的地方現(xiàn)場生長，并精確控制位置，在50納米以內(nèi)。（一張紙有10萬納米厚。）納米晶體的大小也可以通過這種技術(shù)精確控制，這很重要，因?yàn)榇笮绊懰鼈兊奶匦?。由于材料是在?dāng)?shù)胤N植的，具有所需的特征，因此不需要傳統(tǒng)的平版印刷圖案步驟，這些步驟可能會造成損害。

該技術(shù)還具有可擴(kuò)展性、多功能性，并與傳統(tǒng)的制造步驟兼容，因此它可以將納米晶體集成到功能性納米級設(shè)備中。研究人員用它來制造納米級發(fā)光二極管（納米LED）陣列——電激活時發(fā)光的微小晶體。此類陣列可以應(yīng)用于光通信和計算、無透鏡顯微鏡、新型量子光源以及用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)的高密度、高分辨率顯示器。

“正如我們的工作所表明的那樣，開發(fā)將納米材料集成到功能性納米設(shè)備的新工程框架至關(guān)重要。通過超越納米制造、材料工程和設(shè)備設(shè)計的傳統(tǒng)界限，這些技術(shù)可以讓我們在極端納米尺度的維度上操縱物質(zhì)，幫助我們實(shí)現(xiàn)對解決新興技術(shù)需求至關(guān)重要的非常規(guī)設(shè)備平臺，”電子研究實(shí)驗(yàn)室（EECS）的EE Landsman職業(yè)發(fā)展助理教授、電子研究實(shí)驗(yàn)室（RLE）成員和一篇描述這項(xiàng)工作的新論文的高級作者Farnaz Niroui說。

Niroui的合著者包括首席作者Patricia Jastrzebska-Perfect，EECS研究生；化學(xué)工程系研究生Weikun "Spencer" Zhu；Mayuran Saravanapavanantham，Sarah Spector，Roberto Brenes和Peter Satterthwaite，都是EECS研究生；RLE博士后Zheng Li；以及電氣工程教授Rajeev Ram。該研究將發(fā)表在《自然通訊》上。

微小的晶體，巨大的挑戰(zhàn)

使用傳統(tǒng)的納米級制造技術(shù)，將鹵化物鈣鈦礦集成到片上納米級設(shè)備中是非常困難的。在一種方法中，可以使用平版印刷工藝對脆弱的鈣鈦礦薄膜進(jìn)行圖案化，這需要可能損壞材料的溶劑。在另一種方法中，較小的晶體首先在溶液中形成，然后從溶液中挑選并放置所需的模式。

Niroui說，在這兩種情況下，都缺乏控制、分辨率和集成能力，這限制了材料如何擴(kuò)展到納米設(shè)備。

相反，她和她的團(tuán)隊開發(fā)了一種在精確位置直接在所需表面上“生長”鹵化物鈣鈦礦晶體的方法，然后將制造納米設(shè)備。

他們過程的核心是定位用于納米晶體生長的溶液。為此，他們創(chuàng)建了一個納米級模板，其中包含包含晶體生長的化學(xué)過程的小井。它們修改模板的表面和井內(nèi)側(cè)，控制一種被稱為“可濕性”的屬性，因此含有鈣鈦礦材料的溶液不會聚集在模板表面，而是被限制在油井內(nèi)。

她說，現(xiàn)在有了這些非常小和確定性的反應(yīng)堆，材料可以在其中生長。他們將含有鹵化物鈣鈦礦生長材料的溶液涂抹在模板上，隨著溶劑蒸發(fā)，材料會生長并在每口井中形成微小的晶體。

一種多功能且可調(diào)的技術(shù)

研究人員發(fā)現(xiàn)，井的形狀在控制納米晶體定位方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。如果使用方形井，由于納米級力的影響，晶體被放置在井的每個四個角的幾率是相等的。對于一些應(yīng)用來說，這可能足夠好，但對于其他應(yīng)用來說，納米晶體放置需要更高的精度。

通過改變井的形狀，研究人員能夠以這樣的方式設(shè)計這些納米級力，使晶體優(yōu)先放置在所需的位置。

當(dāng)溶劑在井內(nèi)蒸發(fā)時，納米晶體會經(jīng)歷壓力梯度，產(chǎn)生方向力，確切方向由井的不對稱形狀確定。

Niroui說，這使我們能夠擁有非常高的精度，不僅在生長方面，而且在這些納米晶體的放置方面。他們還發(fā)現(xiàn)他們可以控制井內(nèi)形成的晶體的大小。改變水井的大小，允許內(nèi)部或多或少的生長溶液產(chǎn)生更大或更小的晶體。

他們通過制造精確的納米LED陣列來證明其技術(shù)的有效性。在這種方法中，每個納米晶體都制成發(fā)光的納米像素。這些高密度納米LED陣列可用于片上光通信和計算、量子光源、顯微鏡以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的高分辨率顯示器。

未來，研究人員希望探索這些微小光源的更多潛在應(yīng)用。他們還希望測試這些設(shè)備可以有多小的極限，并努力將它們有效地納入量子系統(tǒng)。除了納米級光源外，該過程還為開發(fā)基于鹵化物鈣鈦礦的片上納米設(shè)備開辟了其他機(jī)會。他們的技術(shù)還為研究人員提供了一種更簡單的方法來研究單個納米晶體水平的材料，他們希望這將激勵其他人對這些材料和其他獨(dú)特材料進(jìn)行額外的研究。

Jastrzebska-Perfect補(bǔ)充說，通過高通量方法研究納米級材料通常需要精確地定位和以這種規(guī)模進(jìn)行工程。通過提供這種局部控制，我們的技術(shù)可以改善研究人員為各種應(yīng)用調(diào)查和調(diào)整材料特性的方式。

這項(xiàng)工作得到了國家科學(xué)基金會和麻省理工學(xué)院量子工程中心的部分支持。

來源：science daily?????????????????

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審核編輯：劉清