Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Onderzoekers kweken nauwkeurige reeksen LED's op nanoschaal

Tot de co-auteurs van Niroui behoren onder meer hoofdauteur Patricia Jastrzebska-Perfect, een afgestudeerde EECS-student; Weikun "Spencer" Zhu, een afgestudeerde student aan de afdeling Chemische Technologie; Mayuran Saravanapavanantham, Sarah Spector, Roberto Brenes en Peter Satterthwaite, allemaal afgestudeerde studenten van de EECS; Zheng Li, een RLE-postdoc; en Rajeev Ram, hoogleraar elektrotechniek. Het onderzoek zal worden gepubliceerd in Nature Communications .

Kleine kristallen, enorme uitdagingen

Het integreren van halogenide-perovskieten in apparaten op nanoschaal op de chip is uiterst moeilijk met behulp van conventionele fabricagetechnieken op nanoschaal. In één benadering kan een dunne film van fragiele perovskieten van een patroon worden voorzien met behulp van lithografische processen, waarvoor oplosmiddelen nodig zijn die het materiaal kunnen beschadigen. Bij een andere benadering worden eerst kleinere kristallen in oplossing gevormd en vervolgens in het gewenste patroon uit de oplossing geplukt en geplaatst.

"In beide gevallen is er een gebrek aan controle, resolutie en integratievermogen, wat de manier beperkt waarop het materiaal kan worden uitgebreid naar nanoapparaten", zegt Niroui.

In plaats daarvan ontwikkelden zij en haar team een ​​aanpak om halogenide-perovskietkristallen op precieze locaties direct op het gewenste oppervlak te laten groeien, waar het nanoapparaat vervolgens zal worden vervaardigd.

De kern van hun proces is het lokaliseren van de oplossing die wordt gebruikt bij de groei van nanokristallen. Om dit te doen, creëren ze een sjabloon op nanoschaal met kleine putjes die het chemische proces bevatten waardoor kristallen groeien. Ze wijzigen het oppervlak van de sjabloon en de binnenkant van de putten en controleren een eigenschap die bekend staat als "bevochtigbaarheid", zodat een oplossing die perovskietmateriaal bevat zich niet op het sjabloonoppervlak zal verzamelen en in de putten zal worden opgesloten.

"Nu heb je deze hele kleine en deterministische reactoren waarin het materiaal kan groeien", zegt ze.

En dat is precies wat er gebeurt. Ze brengen een oplossing met halogenide-perovskietgroeimateriaal aan op de sjabloon en terwijl het oplosmiddel verdampt, groeit het materiaal en vormt het een klein kristal in elk putje.

Een veelzijdige en afstembare techniek

De onderzoekers ontdekten dat de vorm van de putten een cruciale rol speelt bij het beheersen van de positionering van nanokristallen. Als vierkante putten worden gebruikt, hebben de kristallen, onder invloed van krachten op nanoschaal, een gelijke kans om in elk van de vier hoeken van de put te worden geplaatst. Voor sommige toepassingen is dat misschien goed genoeg, maar voor andere is het noodzakelijk om een ​​hogere nauwkeurigheid te hebben bij de plaatsing van de nanokristallen.

Door de vorm van de put te veranderen, konden de onderzoekers deze krachten op nanoschaal zo manipuleren dat een kristal bij voorkeur op de gewenste locatie wordt geplaatst.

Terwijl het oplosmiddel in de put verdampt, ervaart het nanokristal een drukgradiënt die een richtingskracht creëert, waarbij de exacte richting wordt bepaald aan de hand van de asymmetrische vorm van de put.

"Hierdoor kunnen we een zeer hoge nauwkeurigheid bereiken, niet alleen bij de groei, maar ook bij de plaatsing van deze nanokristallen", zegt Niroui.

Ze ontdekten ook dat ze de grootte konden controleren van het kristal dat zich in een put vormt. Door de grootte van de putjes te veranderen om meer of minder groeioplossing binnenin toe te laten, worden grotere of kleinere kristallen gegenereerd.

Ze demonstreerden de effectiviteit van hun techniek door nauwkeurige reeksen nanoLED's te vervaardigen. Bij deze aanpak wordt van elk nanokristal een nanopixel gemaakt die licht uitzendt. Deze nanoLED-arrays met hoge dichtheid kunnen worden gebruikt voor optische communicatie en computergebruik op de chip, kwantumlichtbronnen, microscopie en schermen met hoge resolutie voor augmented en virtual reality-toepassingen.

In de toekomst willen de onderzoekers meer potentiële toepassingen voor deze kleine lichtbronnen onderzoeken. Ze willen ook de grenzen testen van hoe klein deze apparaten kunnen zijn, en eraan werken om ze effectief in kwantumsystemen te integreren. Naast lichtbronnen op nanoschaal biedt het proces ook andere mogelijkheden voor de ontwikkeling van op een chip gebaseerde nano-apparaten op basis van halogenide-perovskiet.

Hun techniek biedt onderzoekers ook een gemakkelijkere manier om materialen op individueel nanokristalniveau te bestuderen, waarvan ze hopen dat het anderen zal inspireren om aanvullende onderzoeken uit te voeren naar deze en andere unieke materialen.

"Het bestuderen van materialen op nanoschaal met behulp van high-throughput-methoden vereist vaak dat de materialen precies op die schaal worden gelokaliseerd en ontwikkeld", voegt Jastrzebska-Perfect toe. "Door die gelokaliseerde controle te bieden, kan onze techniek de manier verbeteren waarop onderzoekers de eigenschappen van materialen voor diverse toepassingen onderzoeken en afstemmen."

Meer informatie: Groei ter plaatse van perovskiet-nanokristalarrays voor geïntegreerde nano-apparaten, Nature Communications (2023). dx.doi.org/10.1038/s41467-023-39488-0

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe natuurlijke selectie werkt
  2. Vogelambassadeurs en tribale perspectieven:een vogelperspectief van voorgeschreven vuur
  3. Laat mijn brein me dingen kopen die ik niet nodig heb?
  4. Poema's zijn socialer dan eerder werd gedacht
  5. 5 geheimen om erachter te komen Whatll zijn op het examen
  6. Verschillen tussen Protista & Monera
  7. Wetenschappers dringen aan op bedreigde lijst van cheeta's
  8. Team onthult hoge prevalentie van bacteriën die gen mcr-1 dragen in ecosysteem
  9. Welke chemische verbindingen zijn verantwoordelijk voor de smaken van bitter, zuur, zout en zoet?

Wetenschap