軟半導(dǎo)體或?qū)⒂瓉?lái)下一代納米像素高清顯示器

作者：Jean-Jacques DeLisle，特約撰稿人

為了迎來(lái)下一代高清顯示技術(shù)，美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Berkeley Lab）的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了由軟半導(dǎo)體構(gòu)建的新型發(fā)光納米線(xiàn)技術(shù)。該團(tuán)隊(duì)能夠從單根納米線(xiàn)開(kāi)發(fā)出紅、綠、藍(lán) (RGB) 光發(fā)射器和低至 500 納米的納米線(xiàn)。為了進(jìn)行比較，Apple 的旗艦視網(wǎng)膜顯示器可以達(dá)到每英寸約 400 像素，每像素大約為 60 微米。伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究人員能夠制造出每英寸可以達(dá)到大約 50.000 像素的光發(fā)射器，超過(guò)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

在這種尺寸下，這項(xiàng)新技術(shù)可以與最新的量子點(diǎn)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，后者仍然使用發(fā)光的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體納米晶體。盡管研究演示側(cè)重于光發(fā)射，但“軟”半導(dǎo)體納米線(xiàn)異質(zhì)結(jié)器件技術(shù)可能不僅僅適用于顯示應(yīng)用，還可能成為未來(lái)光伏、固態(tài)照明、多色 LED 激光器和其他切割領(lǐng)域的主要參與者。邊緣光電應(yīng)用。此外，同樣的技術(shù)在高密度二極管和晶體管陣列中也可能是可行的，為許多超越最先進(jìn)的應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)。

此圖比較了在紫外激發(fā)下由溴化銫鉛 (CsPbBr 3 )-氯化鉛銫 (CsPbCl 3 ) 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體（上圖）和碘化鉛銫 (CsPbI 3 )-溴化銫鉛-氯化鉛 (底部面板）在紫外激發(fā)下的紅色、藍(lán)色和綠色配置。圖片來(lái)源：Letian Dou/伯克利實(shí)驗(yàn)室和 Connor G. Bischak/加州大學(xué)伯克利分校.

這項(xiàng)新技術(shù)的支柱是使用鹵化物鈣鈦礦納米線(xiàn)異質(zhì)結(jié)，它由離子鍵的晶格結(jié)構(gòu)組成，而不是像傳統(tǒng)半導(dǎo)體那樣的共價(jià)鍵。被稱(chēng)為“軟”半導(dǎo)體的離子鍵比“更硬”的共價(jià)鍵更容易操作。

在pnas.org上發(fā)表的報(bào)告中，伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的高級(jí)教授楊培東說(shuō)：“使用無(wú)機(jī)鹵化物鈣鈦礦，我們可以輕松地交換離子鍵中的陰離子，同時(shí)保持材料的單晶性質(zhì)。這使我們能夠輕松地重新配置材料的結(jié)構(gòu)和組成。這就是為什么鹵化物鈣鈦礦被認(rèn)為是軟晶格半導(dǎo)體。相比之下，共價(jià)鍵相對(duì)穩(wěn)健，需要更多的能量來(lái)改變。我們的研究基本上表明，我們幾乎可以改變這種軟半導(dǎo)體任何部分的組成?！?/p>

這意味著研究人員能夠使用具有陰離子交換化學(xué)的納米制造技術(shù)將銫鉛鹵化鈣鈦礦的鹵離子交換為溴化銫或氯化銫，從而改變顏色發(fā)射。交換陰離子所需的特殊化學(xué)浸泡也可以在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室室溫下進(jìn)行，不需要其他半導(dǎo)體工藝所需的精密高溫?zé)峥刂坪驼婵窄h(huán)境。

“這是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，而且很容易擴(kuò)大規(guī)模，”楊說(shuō)?！澳悴恍枰跐崈羰依锎艉荛L(zhǎng)時(shí)間，也不需要高溫?！?

這一發(fā)現(xiàn)的重要方面是研究人員聲稱(chēng)他們能夠在整個(gè)可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)“調(diào)整”材料，也許最重要的是，這項(xiàng)技術(shù)的處理可能比標(biāo)準(zhǔn)膠體半導(dǎo)體簡(jiǎn)單得多。這可能意味著這些軟半導(dǎo)體可以以相對(duì)更高的產(chǎn)量和更少的加工步驟制造，這可能意味著更低的成本和更少的浪費(fèi)。

“對(duì)于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，制造結(jié)非常復(fù)雜和昂貴，”楊的實(shí)驗(yàn)室和研究的博士后研究員、共同主要作者竇樂(lè)天在報(bào)告中說(shuō)?！巴ǔＩ婕案邷睾驼婵諚l件來(lái)控制材料的生長(zhǎng)和摻雜。精確控制材料的成分和性能也具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體由于強(qiáng)共價(jià)鍵而變得堅(jiān)硬?！?/p>

盡管該材料仍需要大量開(kāi)發(fā)，其中包括改進(jìn)的分辨率和作為電路組件的集成/表征，但該材料顯示出早期的前景。這種方法還與許多高度宣傳、研究和現(xiàn)有技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。如果該材料甚至可以提供與當(dāng)前技術(shù)相當(dāng)?shù)娘@示器、二極管和晶體管性能，但提供更高的產(chǎn)量和更低的加工成本，那么具有鹵化物鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)的軟半導(dǎo)體可能會(huì)在未來(lái)的智能手機(jī)、智能手表、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器中找到它們的用途技術(shù)以及許多其他照明和電子應(yīng)用。

審核編輯 黃昊宇