Onderzoekers kweken precieze arrays van LED’s op nanoschaal

Halide-perovskieten zijn een familie van materialen die de aandacht hebben getrokken vanwege hun superieure opto-elektronische eigenschappen en mogelijke toepassingen in apparaten zoals hoogwaardige zonnecellen, lichtgevende diodes en lasers.

Deze materialen zijn grotendeels geïmplementeerd in apparaattoepassingen van dunne film of micronformaat. Door deze materialen precies op nanoschaal te integreren, kunnen nog meer opmerkelijke toepassingen ontstaan, zoals on-chip lichtbronnen, fotodetectoren en memristors. Het bereiken van deze integratie is echter een uitdaging gebleven omdat dit delicate materiaal kan worden beschadigd door conventionele fabricage- en patroontechnieken.

Om deze hindernis te overwinnen, creëerden MIT-onderzoekers een techniek waarmee individuele halogenide perovskiet-nanokristallen waar nodig ter plaatse kunnen worden gekweekt met nauwkeurige controle over de locatie, tot op minder dan 50 nanometer. (Een vel papier is 100.000 nanometer dik.) De grootte van de nanokristallen kan ook nauwkeurig worden gecontroleerd door middel van deze techniek, wat belangrijk is omdat de grootte hun eigenschappen beïnvloedt. Aangezien het materiaal lokaal wordt gekweekt met de gewenste kenmerken, zijn conventionele lithografische patroonvormingsstappen die schade zouden kunnen veroorzaken niet nodig.

De techniek is ook schaalbaar, veelzijdig en compatibel met conventionele fabricagestappen, zodat de nanokristallen kunnen worden geïntegreerd in functionele apparaten op nanoschaal. De onderzoekers gebruikten dit om arrays van light-emitting diodes (nanoLED’s) op nanoschaal te fabriceren – kleine kristallen die licht uitstralen wanneer ze elektrisch worden geactiveerd. Dergelijke arrays kunnen toepassingen hebben in optische communicatie en computers, lensloze microscopen, nieuwe soorten kwantumlichtbronnen en beeldschermen met hoge dichtheid en hoge resolutie voor augmented en virtual reality.

“Zoals ons werk laat zien, is het van cruciaal belang om nieuwe technische kaders te ontwikkelen voor de integratie van nanomaterialen in functionele nanodevices. Door de traditionele grenzen van nanofabricage, materiaaltechnologie en apparaatontwerp te overschrijden, kunnen deze technieken ons in staat stellen om materie op de extreme nanoschaal te manipuleren. dimensies, waardoor we onconventionele apparaatplatforms kunnen realiseren die belangrijk zijn om aan opkomende technologische behoeften te voldoen”, zegt Farnaz Niroui, de EE Landsman Career Development Assistant Professor of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), een lid van het Research Laboratory of Electronics (RLE), en senior auteur van een nieuw artikel waarin het werk wordt beschreven.

Niroui’s co-auteurs zijn 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 EECS-studenten; Zheng Li, een RLE-postdoc; en Rajeev Ram, hoogleraar elektrotechniek. Het onderzoek wordt gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Kleine kristallen, enorme uitdagingen

Het integreren van halogenide-perovskieten in apparaten op nanoschaal op de chip is buitengewoon 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 integratiemogelijkheden, wat de manier beperkt waarop het materiaal kan worden uitgebreid tot nanodevices”, zegt Niroui.

In plaats daarvan ontwikkelden zij en haar team een ​​aanpak om halogenide-perovskietkristallen op precieze locaties direct op het gewenste oppervlak te “groeien” waar het nano-apparaat 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 putjes, waardoor een eigenschap wordt gecontroleerd die bekend staat als “bevochtigbaarheid”, zodat een oplossing die perovskietmateriaal bevat, zich niet op het sjabloonoppervlak zal verzamelen en in de putjes zal worden opgesloten.

“Nu heb je deze zeer kleine en deterministische reactoren waarin het materiaal kan groeien”, zegt ze.

En dat is precies wat er gebeurt. Ze brengen een oplossing met halogenide-perovskiet-groeimateriaal 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 putjes een cruciale rol speelt bij het beheersen van de positionering van nanokristallen. Als vierkante putten worden gebruikt, hebben de kristallen vanwege de 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 precisie te hebben bij de plaatsing van nanokristallen.

Door de vorm van de put te veranderen, konden de onderzoekers deze krachten op nanoschaal zodanig 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 met behulp van de asymmetrische vorm van de put.

“Hierdoor kunnen we een zeer hoge precisie hebben, niet alleen bij de groei, maar ook bij de plaatsing van deze nanokristallen”, zegt Niroui.

Ze ontdekten ook dat ze de grootte van het kristal dat zich in een put vormt, konden regelen. Door de grootte van de putjes te veranderen om meer of minder groeioplossing binnen te laten, ontstaan ​​grotere of kleinere kristallen.

Ze demonstreerden de effectiviteit van hun techniek door nauwkeurige reeksen nanoLED’s te fabriceren. Bij deze benadering 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 beeldschermen met hoge resolutie voor augmented en virtual reality-toepassingen.

In de toekomst willen de onderzoekers meer mogelijke toepassingen voor deze kleine lichtbronnen onderzoeken. Ze willen ook de grenzen testen van hoe klein deze apparaten kunnen zijn, en werken om ze effectief in kwantumsystemen op te nemen. Naast lichtbronnen op nanoschaal opent het proces ook andere mogelijkheden voor de ontwikkeling van op halogenide perovskiet gebaseerde on-chip nanodevices.

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

“Het bestuderen van materialen op nanoschaal door middel 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 verbeteren hoe onderzoekers de eigenschappen van materialen voor diverse toepassingen onderzoeken en afstemmen.”