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(yáng)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(kāi)更顯著的應(yīng)用，如片上光源、光電探測(cè)器和存儲(chǔ)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(huì)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(gè)鹵化物鈣鈦礦納米晶體在需要的地方現(xiàn)場(chǎng)生長(zhǎng)，并精確控制位置，在50納米以內(nèi)。（一張紙有10萬(wàn)納米厚。）納米晶體的大小也可以通過(guò)這種技術(shù)精確控制，這很重要，因?yàn)榇笮?huì)影響它們的特性。由于材料是在當(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(huì)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(jí)設(shè)備中。研究人員用它來(lái)制造納米級(jí)發(fā)光二極管（納米LED）陣列——電激活時(shí)發(fā)光的微小晶體。此類陣列可以應(yīng)用于光通信和計(jì)算、無(wú)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(kāi)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(guò)超越納米制造、材料工程和設(shè)備設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)界限，這些技術(shù)可以讓我們?cè)跇O端納米尺度的維度上操縱物質(zhì)，幫助我們實(shí)現(xiàn)對(duì)解決新興技術(shù)需求至關(guān)重要的非常規(guī)設(shè)備平臺(tái)，”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(jí)作者Farnaz Niroui說(shuō)。

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(jí)制造技術(shù)，將鹵化物鈣鈦礦集成到片上納米級(jí)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(duì)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(shuō)，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(duì)開(kāi)發(fā)了一種在精確位置直接在所需表面上“生長(zhǎng)”鹵化物鈣鈦礦晶體的方法，然后將制造納米設(shè)備。

他們過(guò)程的核心是定位用于納米晶體生長(zhǎng)的溶液。為此，他們創(chuàng)建了一個(gè)納米級(jí)模板，其中包含包含晶體生長(zhǎng)的化學(xué)過(guò)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(huì)聚集在模板表面，而是被限制在油井內(nèi)。

她說(shuō)，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(zhǎng)。他們將含有鹵化物鈣鈦礦生長(zhǎng)材料的溶液涂抹在模板上，隨著溶劑蒸發(fā)，材料會(huì)生長(zhǎng)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(jí)力的影響，晶體被放置在井的每個(gè)四個(gè)角的幾率是相等的。對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這可能足夠好，但對(duì)于其他應(yīng)用來(lái)說(shuō)，納米晶體放置需要更高的精度。

通過(guò)改變井的形狀，研究人員能夠以這樣的方式設(shè)計(jì)這些納米級(jí)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(shí)，納米晶體會(huì)經(jīng)歷壓力梯度，產(chǎn)生方向力，確切方向由井的不對(duì)稱形狀確定。

Niroui說(shuō)，這使我們能夠擁有非常高的精度，不僅在生長(zhǎng)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(zhǎng)溶液產(chǎn)生更大或更小的晶體。

他們通過(guò)制造精確的納米LED陣列來(lái)證明其技術(shù)的有效性。在這種方法中，每個(gè)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(jì)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(lái)，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(cè)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(jí)光源外，該過(guò)程還為開(kāi)發(fā)基于鹵化物鈣鈦礦的片上納米設(shè)備開(kāi)辟了其他機(jī)會(huì)。他們的技術(shù)還為研究人員提供了一種更簡(jiǎn)單的方法來(lái)研究單個(gè)納米晶體水平的材料，他們希望這將激勵(lì)其他人對(duì)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(shuō)，通過(guò)高通量方法研究納米級(jí)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(guò)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(guó)家科學(xué)基金會(huì)和麻省理工學(xué)院量子工程中心的部分支持。

來(lái)源：science daily?????????????????

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審核編輯：劉清