Halidperovskiter är en familj av material som har uppmärksammats för sina överlägsna optoelektroniska egenskaper och potentiella tillämpningar i enheter som högpresterande solceller, lysdioder och lasrar.
Dessa material har till stor del implementerats i tunnfilms- eller mikronstora enhetsapplikationer. Att just integrera dessa material i nanoskala kan öppna upp för ännu mer anmärkningsvärda applikationer, som ljuskällor på chip, fotodetektorer och memristorer. Men att uppnå denna integrering har varit utmanande eftersom detta ömtåliga material kan skadas av konventionell tillverkning och mönstringstekniker.
För att övervinna detta hinder skapade MIT-forskare en teknik som gör att individuella halidperovskit-nanokristaller kan odlas på plats där det behövs med exakt kontroll över platsen, till inom mindre än 50 nanometer. (Ett pappersark är 100 000 nanometer tjockt.) Storleken på nanokristallerna kan också kontrolleras exakt genom denna teknik, vilket är viktigt eftersom storleken påverkar deras egenskaper. Eftersom materialet odlas lokalt med önskade egenskaper behövs inte konventionella litografiska mönstringssteg som kan orsaka skada.
Tekniken är också skalbar, mångsidig och kompatibel med konventionella tillverkningssteg, så den kan göra det möjligt för nanokristallerna att integreras i funktionella enheter i nanoskala. Forskarna använde detta för att tillverka arrayer av lysdioder i nanoskala (nanoLED) - små kristaller som avger ljus när de aktiveras elektriskt. Sådana arrayer kan ha tillämpningar inom optisk kommunikation och beräkningar, linslösa mikroskop, nya typer av kvantljuskällor och högdensitetsskärmar med hög upplösning för förstärkt och virtuell verklighet.
"Som vårt arbete visar är det avgörande att utveckla nya tekniska ramverk för integration av nanomaterial i funktionella nanoenheter. Genom att gå förbi de traditionella gränserna för nanotillverkning, materialteknik och enhetsdesign, kan dessa tekniker tillåta oss att manipulera materia i extrem nanoskala dimensioner, som hjälper oss att förverkliga okonventionella enhetsplattformar som är viktiga för att möta framväxande tekniska behov", säger Farnaz Niroui, EE Landsman Career Development Assistant Professor of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), medlem av Research Laboratory of Electronics (RLE), och senior författare till en ny artikel som beskriver arbetet.
Nirouis medförfattare inkluderar huvudförfattaren Patricia Jastrzebska-Perfect, en EECS-student; Weikun "Spencer" Zhu, doktorand vid Institutionen för kemiteknik; Mayuran Saravanapavanantham, Sarah Spector, Roberto Brenes och Peter Satterthwaite, alla EECS-studenter; Zheng Li, en RLE postdoc; och Rajeev Ram, professor i elektroteknik. Forskningen kommer att publiceras i Nature Communications .
Att integrera halogenidperovskiter i on-chip nanoskala enheter är extremt svårt med hjälp av konventionella nanoskala tillverkningstekniker. I ett tillvägagångssätt kan en tunn film av ömtåliga perovskiter mönstras med hjälp av litografiska processer, som kräver lösningsmedel som kan skada materialet. I ett annat tillvägagångssätt bildas först mindre kristaller i lösning och plockas sedan och placeras från lösningen i det önskade mönstret.
"I båda fallen finns det en brist på kontroll, upplösning och integrationsförmåga, vilket begränsar hur materialet kan utökas till nanoenheter", säger Niroui.
Istället utvecklade hon och hennes team ett tillvägagångssätt för att "odla" halogenidperovskitkristaller på exakta platser direkt på den önskade ytan där nanoenheten sedan kommer att tillverkas.
Kärnan i deras process är att lokalisera lösningen som används i nanokristalltillväxten. För att göra det skapar de en mall i nanoskala med små brunnar som innehåller den kemiska process genom vilken kristaller växer. De modifierar mallens yta och brunnarnas insida och kontrollerar en egenskap som kallas "vätbarhet" så att en lösning som innehåller perovskitmaterial inte samlas på mallens yta och kommer att vara innesluten i brunnarna.
"Nu har du dessa mycket små och deterministiska reaktorer inom vilka materialet kan växa", säger hon.
Och det är precis vad som händer. De applicerar en lösning som innehåller halogenidperovskittillväxtmaterial på mallen och när lösningsmedlet avdunstar växer materialet och bildar en liten kristall i varje brunn.
Forskarna fann att formen på brunnarna spelar en avgörande roll för att kontrollera nanokristallpositionen. Om kvadratiska brunnar används, på grund av inverkan av krafter i nanoskala, har kristallerna lika stor chans att placeras i vart och ett av brunnens fyra hörn. För vissa applikationer kan det vara tillräckligt bra, men för andra är det nödvändigt att ha en högre precision i nanokristallplaceringen.
Genom att ändra formen på brunnen kunde forskarna konstruera dessa krafter i nanoskala på ett sådant sätt att en kristall företrädesvis placeras på önskad plats.
När lösningsmedlet avdunstar inuti brunnen upplever nanokristallen en tryckgradient som skapar en riktningskraft, där den exakta riktningen bestäms med hjälp av brunnens asymmetriska form.
"Detta tillåter oss att ha mycket hög precision, inte bara i tillväxten, utan också i placeringen av dessa nanokristaller," säger Niroui.
De fann också att de kunde kontrollera storleken på kristallen som bildas inuti en brunn. Att ändra storleken på brunnarna för att tillåta mer eller mindre tillväxtlösning inuti genererar större eller mindre kristaller.
De visade effektiviteten av sin teknik genom att tillverka exakta arrayer av nanoLED. I detta tillvägagångssätt görs varje nanokristall till en nanopixel som avger ljus. Dessa nanoLED-arrayer med hög densitet skulle kunna användas för optisk kommunikation och beräkningar på kretsen, kvantljuskällor, mikroskopi och högupplösta skärmar för förstärkta och virtuella verklighetstillämpningar.
I framtiden vill forskarna utforska fler potentiella tillämpningar för dessa små ljuskällor. De vill också testa gränserna för hur små dessa enheter kan vara, och arbeta för att effektivt integrera dem i kvantsystem. Utöver ljuskällor i nanoskala, öppnar processen också för andra möjligheter för utveckling av halogenidperovskitbaserade on-chip nanoenheter.
Deras teknik ger också ett enklare sätt för forskare att studera material på individuell nanokristallnivå, vilket de hoppas ska inspirera andra att genomföra ytterligare studier om dessa och andra unika material.
"Att studera material i nanoskala genom metoder med hög genomströmning kräver ofta att materialen är exakt lokaliserade och konstruerade i den skalan," tillägger Jastrzebska-Perfect. "Genom att tillhandahålla den lokaliserade kontrollen kan vår teknik förbättra hur forskare undersöker och justerar egenskaperna hos material för olika tillämpningar."
Mer information: Tillväxt på plats av perovskite nanokristaller för integrerade nanoenheter, Nature Communications (2023). dx.doi.org/10.1038/s41467-023-39488-0
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
