Chloé Leroy
Les pérovskites aux halogénures sont une famille de matériaux qui ont attiré l’attention pour leurs propriétés optoélectroniques supérieures et leurs applications potentielles dans des dispositifs tels que les cellules solaires hautes performances, les diodes électroluminescentes et les lasers.
Ces matériaux ont été largement mis en œuvre dans des apps de dispositifs à couches minces ou micrométriques. L’intégration précise de ces matériaux à l’échelle nanométrique pourrait ouvrir des programs encore moreover remarquables, comme les sources de lumière sur puce, les photodétecteurs et les memristors. Cependant, la réalisation de cette intégration est restée difficile motor vehicle ce matériau délicat peut être endommagé par les procedures de fabrication et de modelage conventionnelles.
Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs du MIT ont créé une method qui permet de faire pousser des nanocristaux de pérovskite d’halogénure individuels sur place en cas de besoin avec un contrôle précis de l’emplacement, à moins de 50 nanomètres. (Une feuille de papier a une épaisseur de 100 000 nanomètres.) La taille des nanocristaux peut également être contrôlée avec précision grâce à cette technique, ce qui est crucial vehicle la taille affecte leurs caractéristiques. Étant donné que le matériau est développé localement avec les caractéristiques souhaitées, les étapes de modelage lithographique conventionnelles qui pourraient introduire des dommages ne sont pas nécessaires.
La strategy est également évolutive, polyvalente et suitable avec les étapes de fabrication conventionnelles, de sorte qu’elle peut permettre aux nanocristaux d’être intégrés dans des dispositifs fonctionnels à l’échelle nanométrique. Les chercheurs l’ont utilisé pour fabriquer des réseaux de diodes électroluminescentes à l’échelle nanométrique (nanoLED) – de minuscules cristaux qui émettent de la lumière lorsqu’ils sont activés électriquement. De tels réseaux pourraient avoir des apps dans les domaines de la communication optique et de l’informatique, des microscopes sans lentille, de nouveaux types de sources de lumière quantique et des écrans haute densité et haute résolution pour la réalité augmentée et virtuelle.
“Comme le montrent nos travaux, il est essentiel de développer de nouveaux cadres d’ingénierie pour l’intégration de nanomatériaux dans des nanodispositifs fonctionnels. En dépassant les frontières traditionnelles de la nanofabrication, de l’ingénierie des matériaux et de la conception de dispositifs, ces techniques peuvent nous permettre de manipuler la matière à l’échelle nanométrique extrême. dimensions, nous aidant à réaliser des plates-formes d’appareils non conventionnelles importantes pour répondre aux besoins technologiques émergents », déclare Farnaz Niroui, professeur adjoint de développement de carrière EE Landsman en génie électrique et informatique (EECS), membre du Laboratoire de recherche en électronique (RLE), et auteur principal d’un nouvel article décrivant le travail.
Les co-auteurs de Niroui incluent l’auteur principal Patricia Jastrzebska-Ideal, une étudiante diplômée de l’EECS Weikun “Spencer” Zhu, étudiant diplômé du Département de génie chimique Mayuran Saravanapavanantham, Sarah Spector, Roberto Brenes et Peter Satterthwaite, tous étudiants diplômés de l’EECS Zheng Li, postdoc RLE et Rajeev Ram, professeur de génie électrique. La recherche sera publiée dans Character Communications.
Minuscules cristaux, énormes défis
L’intégration de pérovskites aux halogénures dans des dispositifs à l’échelle nanométrique sur puce est extrêmement difficile à l’aide de tactics de fabrication conventionnelles à l’échelle nanométrique. Dans une approche, un movie mince de pérovskites fragiles peut être modelé à l’aide de procédés lithographiques, qui nécessitent des solvants qui peuvent endommager le matériau. Dans une autre approche, des cristaux in addition petits sont d’abord formés en resolution, puis prélevés et placés à partir de la answer selon le motif souhaité.
“Dans les deux cas, il y a un manque de capacité de contrôle, de résolution et d’intégration, ce qui limite la façon dont le matériau peut être étendu aux nanodispositifs”, explique Niroui.
Au lieu de cela, elle et son équipe ont développé une approche pour “faire pousser” des cristaux de pérovskite halogénure à des endroits précis directement sur la surface souhaitée où le nanodispositif sera ensuite fabriqué.
Le cœur de leur processus consiste à localiser la option utilisée dans la croissance des nanocristaux. Pour ce faire, ils créent un modèle à l’échelle nanométrique avec de petits puits qui contiennent le processus chimique par lequel les cristaux se développent. Ils modifient la surface area du gabarit et l’intérieur des puits, contrôlant une propriété connue sous le nom de “mouillabilité” afin qu’une option contenant du matériau pérovskite ne s’accumule pas sur la floor du gabarit et soit confinée à l’intérieur des puits.
“Maintenant, vous avez ces réacteurs très petits et déterministes dans lesquels le matériau peut se développer”, dit-elle.
Et c’est exactement ce qui se passe. Ils appliquent une solution contenant un matériau de croissance de pérovskite halogéné sur la matrice et, à mesure que le solvant s’évapore, le matériau se développe et forme un minuscule cristal dans chaque puits.
Une strategy polyvalente et modulable
Les chercheurs ont découvert que la forme des puits joue un rôle essentiel dans le contrôle du positionnement des nanocristaux. Si des puits carrés sont utilisés, en raison de l’influence des forces à l’échelle nanométrique, les cristaux ont une possibility égale d’être placés dans chacun des quatre cash du puits. Pour certaines programs, cela peut suffire, mais pour d’autres, il est nécessaire d’avoir une additionally grande précision dans le placement des nanocristaux.
En modifiant la forme du puits, les chercheurs ont pu concevoir ces forces à l’échelle nanométrique de manière à ce qu’un cristal soit préférentiellement placé à l’emplacement souhaité.
Lorsque le solvant s’évapore à l’intérieur du puits, le nanocristal subit un gradient de pression qui crée une power directionnelle, la direction exacte étant déterminée à l’aide de la forme asymétrique du puits.
“Cela nous permet d’avoir une très grande précision, non seulement dans la croissance, mais aussi dans le placement de ces nanocristaux”, explique Niroui.
Ils ont également découvert qu’ils pouvaient contrôler la taille du cristal qui se forme à l’intérieur d’un puits. Changer la taille des puits pour permettre as well as ou moins de solution de croissance à l’intérieur génère des cristaux additionally ou moins gros.
Ils ont démontré l’efficacité de leur procedure en fabriquant des réseaux précis de nanoLED. Dans cette approche, chaque nanocristal est transformé en un nanopixel qui émet de la lumière. Ces réseaux de nanoLED haute densité pourraient être utilisés pour la interaction optique et l’informatique sur puce, les sources de lumière quantique, la microscopie et les écrans haute résolution pour les programs de réalité augmentée et virtuelle.
À l’avenir, les chercheurs souhaitent explorer davantage d’applications potentielles pour ces minuscules resources de lumière. Ils veulent également tester les limites de la petite taille de ces appareils et travailler pour les intégrer efficacement dans des systèmes quantiques. Au-delà des resources lumineuses à l’échelle nanométrique, le processus ouvre également d’autres opportunités pour le développement de nanodispositifs sur puce à foundation de pérovskite halogénure.
Leur strategy offre également aux chercheurs un moyen furthermore simple d’étudier les matériaux au niveau des nanocristaux individuels, ce qui, espèrent-ils, inspirera d’autres à mener des études supplémentaires sur ces matériaux et d’autres matériaux uniques.
“L’étude des matériaux à l’échelle nanométrique par des méthodes à haut débit nécessite souvent que les matériaux soient précisément localisés et conçus à cette échelle”, ajoute Jastrzebska-Perfect. “En fournissant ce contrôle localisé, notre strategy peut améliorer la façon dont les chercheurs étudient et ajustent les propriétés des matériaux pour diverses applications.”
Ce travail a été soutenu, en partie, par la National Science Foundation et le MIT Center for Quantum Engineering.
