Halogenidperowskite sind eine Materialfamilie, die aufgrund ihrer überlegenen optoelektronischen Eigenschaften und möglichen Anwendungen in Geräten wie Hochleistungssolarzellen, Leuchtdioden und Lasern Aufmerksamkeit erregt hat.
Diese Materialien wurden größtenteils in Dünnschicht- oder Mikrometer-Geräteanwendungen implementiert. Die präzise Integration dieser Materialien im Nanomaßstab könnte noch bemerkenswertere Anwendungen eröffnen, wie z. B. On-Chip-Lichtquellen, Fotodetektoren und Memristoren. Diese Integration zu erreichen, blieb jedoch eine Herausforderung, da dieses empfindliche Material durch herkömmliche Herstellungs- und Strukturierungstechniken beschädigt werden kann.
Um diese Hürde zu überwinden, haben MIT-Forscher eine Technik entwickelt, die es ermöglicht, einzelne Halogenid-Perowskit-Nanokristalle vor Ort bei Bedarf mit präziser Kontrolle über den Standort bis auf weniger als 50 Nanometer zu züchten. (Ein Blatt Papier ist 100.000 Nanometer dick.) Mit dieser Technik kann auch die Größe der Nanokristalle präzise gesteuert werden, was wichtig ist, da die Größe ihre Eigenschaften beeinflusst. Da das Material lokal mit den gewünschten Merkmalen wächst, sind herkömmliche lithografische Strukturierungsschritte, die zu Schäden führen könnten, nicht erforderlich.
Die Technik ist außerdem skalierbar, vielseitig und mit herkömmlichen Herstellungsschritten kompatibel, sodass die Nanokristalle in funktionelle Nanogeräte integriert werden können. Die Forscher nutzten dies, um Anordnungen nanoskaliger Leuchtdioden (NanoLEDs) herzustellen – winzige Kristalle, die Licht emittieren, wenn sie elektrisch aktiviert werden. Solche Arrays könnten in der optischen Kommunikation und Informatik, in linsenlosen Mikroskopen, neuen Arten von Quantenlichtquellen und hochdichten, hochauflösenden Displays für erweiterte und virtuelle Realität Anwendung finden.
„Wie unsere Arbeit zeigt, ist es von entscheidender Bedeutung, neue technische Rahmenbedingungen für die Integration von Nanomaterialien in funktionale Nanogeräte zu entwickeln. Indem wir die traditionellen Grenzen der Nanofabrikation, der Materialtechnik und des Gerätedesigns überwinden, können diese Techniken es uns ermöglichen, Materie im extremen Nanomaßstab zu manipulieren.“ Dimensionen, die uns helfen, unkonventionelle Geräteplattformen zu realisieren, die für die Bewältigung neuer technologischer Anforderungen wichtig sind“, sagt Farnaz Niroui, EE Landsman Career Development Assistant Professor für Elektrotechnik und Informatik (EECS), Mitglied des Research Laboratory of Electronics (RLE), und leitender Autor eines neuen Artikels, der die Arbeit beschreibt.
Zu den Co-Autoren von Niroui gehören die Hauptautorin Patricia Jastrzebska-Perfect, eine EECS-Doktorandin; Weikun „Spencer“ Zhu, ein Doktorand der Fakultät für Chemieingenieurwesen; Mayuran Saravanapavanantham, Sarah Spector, Roberto Brenes und Peter Satterthwaite, alle EECS-Absolventen; Zheng Li, ein RLE-Postdoc; und Rajeev Ram, Professor für Elektrotechnik. Die Forschung wird in veröffentlicht Naturkommunikation.
Winzige Kristalle, große Herausforderungen
Die Integration von Halogenid-Perowskiten in nanoskalige On-Chip-Geräte ist mit herkömmlichen nanoskaligen Herstellungstechniken äußerst schwierig. Bei einem Ansatz kann ein dünner Film aus fragilen Perowskiten mithilfe lithografischer Verfahren strukturiert werden, für die Lösungsmittel erforderlich sind, die das Material beschädigen können. Bei einem anderen Ansatz werden zunächst kleinere Kristalle in Lösung gebildet und dann aus der Lösung entnommen und im gewünschten Muster platziert.
„In beiden Fällen mangelt es an Kontrolle, Auflösung und Integrationsfähigkeit, was die Erweiterung des Materials auf Nanogeräte einschränkt“, sagt Niroui.
Stattdessen entwickelten sie und ihr Team einen Ansatz, um Halogenid-Perowskit-Kristalle an präzisen Stellen direkt auf der gewünschten Oberfläche „wachsen zu lassen“, wo dann das Nanogerät hergestellt wird.
Der Kern ihres Prozesses besteht darin, die Lösung zu lokalisieren, die für das Nanokristallwachstum verwendet wird. Dazu erstellen sie eine nanoskalige Vorlage mit kleinen Vertiefungen, die den chemischen Prozess enthalten, durch den Kristalle wachsen. Sie modifizieren die Oberfläche der Schablone und das Innere der Vertiefungen und steuern eine Eigenschaft, die als „Benetzbarkeit“ bekannt ist, sodass sich eine Lösung, die Perowskitmaterial enthält, nicht auf der Schablonenoberfläche ansammelt und in den Vertiefungen eingeschlossen bleibt.
„Jetzt gibt es diese sehr kleinen und deterministischen Reaktoren, in denen das Material wachsen kann“, sagt sie.
Und genau das passiert. Sie tragen eine Lösung, die Halogenid-Perowskit-Wachstumsmaterial enthält, auf die Schablone auf und während das Lösungsmittel verdunstet, wächst das Material und bildet in jeder Vertiefung einen winzigen Kristall.
Eine vielseitige und abstimmbare Technik
Die Forscher fanden heraus, dass die Form der Vertiefungen eine entscheidende Rolle bei der Steuerung der Nanokristallpositionierung spielt. Wenn quadratische Vertiefungen verwendet werden, haben die Kristalle aufgrund des Einflusses nanoskaliger Kräfte die gleiche Chance, in jeder der vier Ecken der Vertiefung platziert zu werden. Für einige Anwendungen mag das ausreichen, für andere ist jedoch eine höhere Präzision bei der Platzierung der Nanokristalle erforderlich.
Durch die Veränderung der Form der Vertiefung konnten die Forscher diese nanoskaligen Kräfte so manipulieren, dass ein Kristall bevorzugt an der gewünschten Stelle platziert wird.
Während das Lösungsmittel im Inneren der Vertiefung verdampft, erfährt der Nanokristall einen Druckgradienten, der eine Richtungskraft erzeugt, wobei die genaue Richtung anhand der asymmetrischen Form der Vertiefung bestimmt wird.
„Das ermöglicht uns eine sehr hohe Präzision, nicht nur beim Wachstum, sondern auch bei der Platzierung dieser Nanokristalle“, sagt Niroui.
Sie fanden auch heraus, dass sie die Größe des Kristalls steuern konnten, der sich in einem Brunnen bildet. Durch Ändern der Größe der Vertiefungen, um mehr oder weniger Wachstumslösung im Inneren zu ermöglichen, werden größere oder kleinere Kristalle erzeugt.
Sie demonstrierten die Wirksamkeit ihrer Technik durch die Herstellung präziser Nano-LED-Arrays. Bei diesem Ansatz wird jeder Nanokristall zu einem Nanopixel verarbeitet, der Licht emittiert. Diese hochdichten NanoLED-Arrays könnten für optische On-Chip-Kommunikation und -Computing, Quantenlichtquellen, Mikroskopie und hochauflösende Displays für Augmented- und Virtual-Reality-Anwendungen verwendet werden.
In Zukunft wollen die Forscher weitere Einsatzmöglichkeiten dieser winzigen Lichtquellen erkunden. Sie wollen auch die Grenzen der möglichen Kleinheit dieser Geräte testen und daran arbeiten, sie effektiv in Quantensysteme zu integrieren. Über nanoskalige Lichtquellen hinaus eröffnet der Prozess auch andere Möglichkeiten für die Entwicklung von On-Chip-Nanogeräten auf Halogenid-Perowskit-Basis.
Ihre Technik bietet Forschern auch eine einfachere Möglichkeit, Materialien auf der Ebene einzelner Nanokristalle zu untersuchen, was hoffentlich andere dazu inspirieren wird, weitere Studien zu diesen und anderen einzigartigen Materialien durchzuführen.
„Die Untersuchung nanoskaliger Materialien mit Hochdurchsatzmethoden erfordert oft, dass die Materialien genau lokalisiert und in diesem Maßstab konstruiert werden“, fügt Jastrzebska-Perfect hinzu. „Durch die Bereitstellung dieser lokalen Kontrolle kann unsere Technik die Art und Weise verbessern, wie Forscher die Eigenschaften von Materialien für verschiedene Anwendungen untersuchen und anpassen.“
Mehr Informationen:
Vor-Ort-Wachstum von Perowskit-Nanokristall-Arrays für integrierte Nanogeräte, Naturkommunikation (2023).