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연구원들은 nanoLEDs의 정밀한 어레이를 성장시킵니다.

MIT News의 Adam Zewe 작성

Boston MA (SPX) 08년 2023월 XNUMX일

할라이드 페로브스카이트는 고성능 태양 전지, 발광 다이오드 및 레이저와 같은 장치에서 우수한 광전자 특성 및 잠재적 응용 분야로 주목을 받은 재료 계열입니다. 이러한 재료는 주로 박막 또는 미크론 크기의 장치 응용 프로그램으로 구현되었습니다.

이러한 재료를 나노스케일로 정밀하게 통합하면 온칩 광원, 광검출기 및 멤리스터와 같은 훨씬 더 놀라운 응용 분야를 열 수 있습니다. 그러나 이 섬세한 재료는 기존의 제조 및 패터닝 기술로 손상될 수 있기 때문에 이러한 통합을 달성하는 것은 여전히 ​​어려운 일이었습니다.

이 장애물을 극복하기 위해 MIT 연구원들은 개별 할라이드 페로브스카이트 나노결정이 50나노미터 미만으로 위치를 정밀하게 제어하여 필요한 현장에서 성장할 수 있는 기술을 만들었습니다. (종이 한 장의 두께는 100,000나노미터입니다.)

나노 결정의 크기 또한 이 기술을 통해 정밀하게 제어할 수 있는데 크기가 특성에 영향을 미치기 때문에 중요합니다. 재료가 원하는 기능으로 국부적으로 성장하기 때문에 손상을 유발할 수 있는 기존의 리소그래피 패터닝 단계가 필요하지 않습니다.

이 기술은 또한 확장 가능하고 다재다능하며 기존 제조 단계와 호환되므로 나노 결정을 기능적 나노 크기 장치에 통합할 수 있습니다. 연구원들은 이것을 전기적으로 활성화될 때 빛을 방출하는 작은 결정인 나노 크기의 발광 다이오드(nanoLED) 어레이를 제조하는 데 사용했습니다. 이러한 어레이는 광통신 및 컴퓨팅, 렌즈 없는 현미경, 새로운 유형의 양자 광원, 증강 및 가상 현실을 위한 고밀도, 고해상도 디스플레이에 응용할 수 있습니다.

“우리의 작업이 보여주듯이 나노물질을 기능성 나노소자에 통합하기 위한 새로운 엔지니어링 프레임워크를 개발하는 것이 중요합니다. 나노 제조, 재료 공학 및 장치 설계의 전통적인 경계를 넘어 이동함으로써 이러한 기술을 통해 극한의 나노 크기 차원에서 물질을 조작할 수 있으므로 새로운 기술 요구 사항을 해결하는 데 중요한 비전통적인 장치 플랫폼을 실현할 수 있습니다.”라고 EE의 Farnaz Niroui는 말합니다. Landsman Career Development 전기 공학 및 컴퓨터 과학(EECS) 조교수이자 RLE(Research Laboratory of Electronics) 회원이자 이 작업을 설명하는 새 논문의 수석 저자입니다.

Niroui의 공동 저자로는 수석 저자인 EECS 대학원생인 Patricia Jastrzebska-Perfect; Weikun "Spencer" Zhu, 화학 공학과 대학원생; Mayuran Saravanapavanantham, Sarah Spector, Roberto Brenes 및 Peter Satterthwaite, 모든 EECS 대학원생; RLE 박사후 연구원인 Zheng Li; 전기 공학 교수 인 Rajeev Ram. 이 연구는 Nature Communications에 게재되었습니다.

작은 수정, 거대한 도전

할라이드 페로브스카이트를 온칩 나노스케일 장치에 통합하는 것은 기존의 나노스케일 제조 기술을 사용하여 매우 어렵습니다. 한 가지 접근 방식에서 깨지기 쉬운 페로브스카이트의 박막은 재료를 손상시킬 수 있는 용매가 필요한 리소그래피 공정을 사용하여 패턴화될 수 있습니다. 또 다른 접근 방식에서는 먼저 용액에서 더 작은 결정을 형성한 다음 원하는 패턴으로 용액에서 선택하여 배치합니다.

"두 경우 모두 제어, 해상도 및 통합 기능이 부족하여 재료를 나노 장치로 확장할 수 있는 방법이 제한됩니다."라고 Niroui는 말합니다.

대신, 그녀와 그녀의 팀은 나노 장치가 제작될 원하는 표면에 직접 정확한 위치에서 할라이드 페로브스카이트 결정을 "성장"시키는 접근 방식을 개발했습니다.

프로세스의 핵심은 나노결정 성장에 사용되는 솔루션을 현지화하는 것입니다. 그렇게 하기 위해 그들은 결정이 성장하는 화학적 과정을 포함하는 작은 우물이 있는 나노 스케일 템플릿을 만듭니다. 이들은 템플릿의 표면과 웰의 내부를 수정하여 "습윤성"으로 알려진 특성을 제어하므로 페로브스카이트 물질을 포함하는 용액이 템플릿 표면에 고이지 않고 웰 내부에 갇히게 됩니다.

"이제 재료가 성장할 수 있는 매우 작고 결정론적인 원자로가 있습니다."라고 그녀는 말합니다.

그리고 그것이 정확히 일어나는 일입니다. 그들은 할라이드 페로브스카이트 성장 물질이 포함된 용액을 템플릿에 적용하고 용매가 증발함에 따라 물질이 성장하여 각 우물에서 작은 결정을 형성합니다.

다양하고 조정 가능한 기술

연구진은 우물의 모양이 나노결정의 위치를 ​​제어하는 ​​데 중요한 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 정사각형 우물을 사용하는 경우 나노 규모 힘의 영향으로 인해 결정이 우물의 네 모서리에 각각 배치될 확률이 동일합니다. 일부 응용 분야에서는 충분할 수 있지만 다른 응용 분야에서는 나노 결정 배치에서 더 높은 정밀도가 필요합니다.

우물의 모양을 변경함으로써 연구원들은 결정이 원하는 위치에 우선적으로 배치되는 방식으로 이러한 나노 규모의 힘을 조작할 수 있었습니다.

용매가 웰 내부에서 증발함에 따라 나노 결정은 웰의 비대칭 모양을 사용하여 결정되는 정확한 방향과 함께 방향성 힘을 생성하는 압력 구배를 경험합니다.

Niroui는 "이를 통해 우리는 성장뿐만 아니라 이러한 나노 결정의 배치에서도 매우 높은 정밀도를 가질 수 있습니다."라고 말했습니다.

그들은 또한 우물 내부에서 형성되는 결정의 크기를 제어할 수 있음을 발견했습니다. 내부의 성장 용액을 더 많거나 적게 허용하도록 우물의 크기를 변경하면 더 크거나 더 작은 결정이 생성됩니다.

그들은 nanoLED의 정밀한 배열을 제작함으로써 기술의 효율성을 입증했습니다. 이 접근법에서 각 나노 결정은 빛을 방출하는 나노 픽셀로 만들어집니다. 이러한 고밀도 nanoLED 어레이는 온칩 광통신 및 컴퓨팅, 양자 광원, 현미경, 증강 및 가상 현실 응용 분야용 고해상도 디스플레이에 사용할 수 있습니다.

앞으로 연구원들은 이러한 작은 광원에 대한 더 많은 잠재적 응용 분야를 탐색하기를 원합니다. 그들은 또한 이러한 장치가 얼마나 작은지 한계를 테스트하고 이를 양자 시스템에 효과적으로 통합하기 위해 노력하기를 원합니다. 나노스케일 광원을 넘어, 이 공정은 또한 할라이드 페로브스카이트 기반 온칩 나노소자를 개발할 수 있는 다른 기회를 열어줍니다.

그들의 기술은 또한 연구원들이 개별 나노결정 수준에서 물질을 연구하는 더 쉬운 방법을 제공하며, 다른 사람들이 이러한 물질과 다른 독특한 물질에 대한 추가 연구를 수행하도록 영감을 주기를 희망합니다.

Jastrzebska-Perfect는 "고처리량 방법을 통해 나노 크기의 재료를 연구하려면 재료가 해당 크기로 정밀하게 국지화되고 엔지니어링되어야 하는 경우가 많습니다."라고 덧붙입니다. "그 지역화된 제어를 제공함으로써 우리의 기술은 연구원들이 다양한 응용을 위해 재료의 특성을 조사하고 조정하는 방법을 개선할 수 있습니다."

“그 팀은 기판에서 개별 페로브스카이트 나노결정의 결정론적 합성을 위한 매우 영리한 방법을 개발했습니다. 그들은 전례 없는 규모로 나노 결정의 정확한 배치를 제어할 수 있으므로 단일 나노 결정을 기반으로 하는 고효율 나노 크기 LED 제조를 위한 플랫폼을 가능하게 합니다. , 이 연구에 참여하지 않은 사람. “현장의 근본적인 난제를 극복한 흥미로운 작품입니다.”

이 작업은 부분적으로 국립 과학 재단과 MIT 양자 공학 센터의 지원을 받았습니다.

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• 출처: https://www.spacedaily.com/reports/Researchers_grow_precise_arrays_of_nanoLEDs_999.html