Mogelijk komt er een nieuw type halfgeleider naar een high-definition scherm bij u in de buurt. Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy hebben aangetoond dat een klasse van halfgeleiders, halideperovskieten genaamd, in staat is meerdere, heldere kleuren van een enkele nanodraad met resoluties zo klein als 500 nanometer.

De bevindingen, deze week online gepubliceerd in de vroege editie van de Proceedings van de National Academy of Sciences , vormen een duidelijke uitdaging voor quantum dot-displays die afhankelijk zijn van traditionele halfgeleider nanokristallen om licht uit te stralen. Het zou ook van invloed kunnen zijn op de ontwikkeling van nieuwe toepassingen in de opto-elektronica, fotovoltaïsche, nanoscopische lasers, en ultragevoelige fotodetectoren, onder andere.

De onderzoekers gebruikten elektronenstraallithografie om halide-perovskiet-nanodraad-heterojuncties te fabriceren, de kruising van twee verschillende halfgeleiders. In apparaattoepassingen, heterojuncties bepalen het energieniveau en de bandgap-karakteristieken, en worden daarom beschouwd als een belangrijke bouwsteen van moderne elektronica en fotovoltaïsche energie.

De onderzoekers wezen erop dat het rooster in halide-perovskieten bij elkaar wordt gehouden door ionische in plaats van covalente bindingen. In ionbindingen, atomen met tegengestelde lading worden door elkaar aangetrokken en dragen elektronen naar elkaar over. Covalente bindingen, in tegenstelling tot, ontstaan ​​wanneer atomen hun elektronen met elkaar delen.

"Met anorganisch halide perovskiet, we kunnen de anionen in de ionische bindingen gemakkelijk verwisselen met behoud van de enkelvoudige kristallijne aard van de materialen, " zei hoofdonderzoeker Peidong Yang, senior faculteitswetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. "Hierdoor kunnen we de structuur en samenstelling van het materiaal gemakkelijk opnieuw configureren. Daarom worden halide-perovskieten beschouwd als halfgeleiders met een zacht rooster. Covalente bindingen, in tegenstelling tot, zijn relatief robuust en hebben meer energie nodig om te veranderen. Onze studie toonde in feite aan dat we de samenstelling van elk segment van deze zachte halfgeleider vrijwel kunnen veranderen."

In dit geval, de onderzoekers testten cesium-loodhalogenide perovskiet, en vervolgens gebruikten ze een gemeenschappelijke nanofabricagetechniek gecombineerd met anionenuitwisselingschemie om de halogenide-ionen uit te wisselen om cesium-loodjodide te maken, bromide, en chloride perovskieten.

Elke variatie resulteerde in een andere kleur die werd uitgestraald. Bovendien, de onderzoekers toonden aan dat meerdere heterojuncties op een enkele nanodraad konden worden geconstrueerd. Ze waren in staat om een ​​pixelgrootte tot 500 nanometer te bereiken, en ze stelden vast dat de kleur van het materiaal afstembaar was over het hele bereik van zichtbaar licht.

De onderzoekers zeiden dat de chemische oplossingsverwerkingstechniek die wordt gebruikt om deze klasse van zachte, ionisch gebonden halfgeleiders is veel eenvoudiger dan methoden die worden gebruikt om traditionele colloïdale halfgeleiders te vervaardigen.

"Voor conventionele halfgeleiders, het fabriceren van de kruising is vrij ingewikkeld en duur, " zei studie co-hoofdauteur Letian Dou, die het werk uitvoerde als postdoctoraal onderzoeker in het lab van Yang. "Er zijn meestal hoge temperaturen en vacuümomstandigheden nodig om de groei en doping van de materialen te beheersen. Het nauwkeurig beheersen van de samenstelling en eigenschappen van de materialen is ook een uitdaging omdat conventionele halfgeleiders 'hard' zijn vanwege de sterke covalente binding."

Om de anionen in een zachte halfgeleider te verwisselen, het materiaal wordt bij kamertemperatuur in een speciale chemische oplossing gedrenkt.

"Het is een eenvoudig proces, en het is heel gemakkelijk op te schalen, " zei Yang, die ook hoogleraar scheikunde is aan UC Berkeley. "Je hoeft geen lange uren in een schone kamer door te brengen, en je hebt geen hoge temperaturen nodig."

De onderzoekers blijven de resolutie van deze zachte halfgeleiders verbeteren, en werken eraan om ze in een elektrisch circuit te integreren.