En ny typ av halvledare kan komma till en HD-skärm nära dig. Forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har visat att en klass av halvledare som kallas halogenidperovskiter kan avge flera, ljusa färger från en enda nanotråd i upplösningar så små som 500 nanometer.

Resultaten, publicerad online i veckan i den tidiga upplagan av Förfaranden från National Academy of Sciences , representerar en tydlig utmaning för kvantpunktsskärmar som förlitar sig på traditionella halvledarnanokrystaller för att avge ljus. Det kan också påverka utvecklingen av nya applikationer inom optoelektronik, solceller, nanoskopiska lasrar, och ultrakänsliga fotodetektorer, bland andra.

Forskarna använde elektronstråle litografi för att tillverka halogenidperovskit nanotråd heterojunctions, korsningen mellan två olika halvledare. I apparapplikationer, heterojunctions bestämmer energinivån och bandgapegenskaperna, och anses därför vara en viktig byggsten för modern elektronik och solceller.

Forskarna påpekade att gallret i halogenidperovskiter hålls samman av joniska istället för kovalenta bindningar. I joniska bindningar, atomer med motsatta laddningar lockas till varandra och överför elektroner till varandra. Kovalenta bindningar, i kontrast, uppstår när atomer delar sina elektroner med varandra.

"Med oorganisk halogenidperovskit, vi kan enkelt byta anjonerna i jonbindningarna samtidigt som vi behåller materialets enda kristallina natur, "sade studiehuvudutredaren Peidong Yang, senior fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning. "Detta gör att vi enkelt kan omkonfigurera materialets struktur och sammansättning. Det är därför halogenidperovskiter betraktas som mjuka gitterhalvledare. Kovalenta bindningar, i kontrast, är relativt robusta och kräver mer energi för att förändras. Vår studie visade i princip att vi i stort sett kan ändra sammansättningen för alla segment i denna mjuka halvledare. "

I detta fall, forskarna testade cesium blyhalogenid perovskit, och sedan använde de en vanlig nanofabricationsteknik kombinerad med anjonbyteskemi för att byta ut halogenidjonerna för att skapa cesium blyjodid, bromid, och kloridperovskiter.

Varje variant resulterade i en annan färg. Dessutom, forskarna visade att flera heterojunctions kunde konstrueras på en enda nanotråd. De kunde uppnå en pixelstorlek ner till 500 nanometer, och de bestämde att materialets färg var avstämbar genom hela synligt ljusintervall.

Forskarna sa att den kemiska lösningsteknik som används för att behandla denna klass av mjuka, jonbundna halvledare är mycket enklare än metoder som används för att tillverka traditionella kolloidala halvledare.

"För konventionella halvledare, att tillverka korsningen är ganska komplicerat och dyrt, "sa författare till studien Letian Dou, som utförde arbetet som postdoktor i Yangs laboratorium. "Höga temperaturer och vakuumförhållanden är vanligtvis involverade för att kontrollera materialens tillväxt och dopning. Just kontroll av materialkompositionen och egenskapen är också utmanande eftersom konventionella halvledare är" hårda "på grund av stark kovalent bindning."

För att byta anjonerna i en mjuk halvledare, materialet blötläggs i en speciell kemisk lösning vid rumstemperatur.

"Det är en enkel process, och det är väldigt enkelt att skala upp, "sa Yang, som också är professor i kemi vid UC Berkeley. "Du behöver inte spendera långa timmar i ett rent rum, och du behöver inte höga temperaturer. "

Forskarna fortsätter att förbättra upplösningen för dessa mjuka halvledare, och arbetar med att integrera dem i en elektrisk krets.