I ricercatori coltivano array precisi di NanoLED

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I ricercatori sviluppano matrici precise di nanoLED

di Adam Zewe per MIT News

Boston MA (SPX) 08 luglio 2023

Le perovskiti agli alogenuri sono una famiglia di materiali che hanno attirato l'attenzione per le loro proprietà optoelettroniche superiori e le potenziali applicazioni in dispositivi come celle solari ad alte prestazioni, diodi emettitori di luce e laser. Questi materiali sono stati ampiamente implementati in applicazioni di dispositivi a film sottile o di dimensioni micron.

L'integrazione precisa di questi materiali su scala nanometrica potrebbe aprire applicazioni ancora più straordinarie, come sorgenti luminose su chip, fotorivelatori e memristori. Tuttavia, il raggiungimento di questa integrazione è rimasto impegnativo perché questo materiale delicato può essere danneggiato dalle tecniche di fabbricazione e modellazione convenzionali.

Per superare questo ostacolo, i ricercatori del MIT hanno creato una tecnica che consente di coltivare singoli nanocristalli di perovskite di alogenuro in loco dove necessario con un controllo preciso sulla posizione, entro meno di 50 nanometri. (Un foglio di carta ha uno spessore di 100,000 nanometri.)

Anche la dimensione dei nanocristalli può essere controllata con precisione attraverso questa tecnica, che è importante perché la dimensione influisce sulle loro caratteristiche. Poiché il materiale viene coltivato localmente con le caratteristiche desiderate, non sono necessarie fasi di modellazione litografica convenzionali che potrebbero introdurre danni.

La tecnica è anche scalabile, versatile e compatibile con le fasi di fabbricazione convenzionali, quindi può consentire l'integrazione dei nanocristalli in dispositivi funzionali su nanoscala. I ricercatori lo hanno utilizzato per fabbricare matrici di diodi a emissione di luce su scala nanometrica (nanoLED), minuscoli cristalli che emettono luce quando vengono attivati elettricamente. Tali array potrebbero avere applicazioni nella comunicazione ottica e nell'informatica, microscopi senza lenti, nuovi tipi di sorgenti di luce quantistica e display ad alta densità e ad alta risoluzione per la realtà aumentata e virtuale.

“Come dimostra il nostro lavoro, è fondamentale sviluppare nuove strutture ingegneristiche per l'integrazione di nanomateriali in nanodispositivi funzionali. Superando i confini tradizionali della nanofabbricazione, dell'ingegneria dei materiali e della progettazione dei dispositivi, queste tecniche possono consentirci di manipolare la materia alle dimensioni estreme della nanoscala, aiutandoci a realizzare piattaforme di dispositivi non convenzionali importanti per affrontare le esigenze tecnologiche emergenti", afferma Farnaz Niroui, EE Landsman Career Development Assistant Professor of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), membro del Research Laboratory of Electronics (RLE) e autore senior di un nuovo documento che descrive il lavoro.

I coautori di Niroui includono l'autrice principale Patricia Jastrzebska-Perfect, una studentessa laureata EECS; Weikun "Spencer" Zhu, uno studente laureato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica; Mayuran Saravanapavanantham, Sarah Spector, Roberto Brenes e Peter Satterthwaite, tutti laureati EECS; Zheng Li, un postdoc RLE; e Rajeev Ram, professore di ingegneria elettrica. La ricerca è pubblicata su Nature Communications.

Piccoli cristalli, enormi sfide

L'integrazione di perovskiti agli alogenuri in dispositivi in nanoscala on-chip è estremamente difficile utilizzando le tecniche di fabbricazione convenzionali in nanoscala. In un approccio, un sottile film di fragili perovskiti può essere modellato utilizzando processi litografici, che richiedono solventi che possono danneggiare il materiale. In un altro approccio, i cristalli più piccoli vengono prima formati in soluzione e poi prelevati e posizionati dalla soluzione nel modello desiderato.

"In entrambi i casi c'è una mancanza di capacità di controllo, risoluzione e integrazione, che limita il modo in cui il materiale può essere esteso ai nanodispositivi", afferma Niroui.

Invece, lei e il suo team hanno sviluppato un approccio per "far crescere" cristalli di perovskite alogenuro in posizioni precise direttamente sulla superficie desiderata dove verrà poi fabbricato il nanodispositivo.

Il fulcro del loro processo è localizzare la soluzione utilizzata nella crescita dei nanocristalli. Per fare ciò, creano un modello su scala nanometrica con piccoli pozzetti che contengono il processo chimico attraverso il quale crescono i cristalli. Modificano la superficie della dima e l'interno dei pozzetti, controllando una proprietà nota come “bagnabilità” in modo che una soluzione contenente materiale perovskite non si accumuli sulla superficie della dima e venga confinata all'interno dei pozzetti.

"Ora, hai questi reattori molto piccoli e deterministici all'interno dei quali il materiale può crescere", dice.

Ed è proprio quello che succede. Applicano una soluzione contenente materiale di crescita di perovskite alogenuro al modello e, mentre il solvente evapora, il materiale cresce e forma un minuscolo cristallo in ciascun pozzetto.

Una tecnica versatile e modulabile

I ricercatori hanno scoperto che la forma dei pozzetti gioca un ruolo fondamentale nel controllo del posizionamento dei nanocristalli. Se si utilizzano pozzetti quadrati, a causa dell'influenza delle forze su scala nanometrica, i cristalli hanno la stessa possibilità di essere collocati in ciascuno dei quattro angoli del pozzetto. Per alcune applicazioni potrebbe essere sufficiente, ma per altre è necessaria una maggiore precisione nel posizionamento dei nanocristalli.

Modificando la forma del pozzo, i ricercatori sono stati in grado di ingegnerizzare queste forze su scala nanometrica in modo tale che un cristallo sia posizionato preferenzialmente nella posizione desiderata.

Man mano che il solvente evapora all'interno del pozzo, il nanocristallo subisce un gradiente di pressione che crea una forza direzionale, con la direzione esatta determinata utilizzando la forma asimmetrica del pozzo.

"Questo ci consente di avere una precisione molto elevata, non solo nella crescita, ma anche nel posizionamento di questi nanocristalli", afferma Niroui.

Hanno anche scoperto di poter controllare la dimensione del cristallo che si forma all'interno di un pozzo. La modifica delle dimensioni dei pozzetti per consentire una soluzione di crescita maggiore o minore all'interno genera cristalli più grandi o più piccoli.

Hanno dimostrato l'efficacia della loro tecnica fabbricando matrici precise di nanoLED. In questo approccio, ogni nanocristallo viene trasformato in un nanopixel che emette luce. Questi array di nanoLED ad alta densità potrebbero essere utilizzati per la comunicazione e l'elaborazione ottica su chip, sorgenti di luce quantistica, microscopia e display ad alta risoluzione per applicazioni di realtà aumentata e virtuale.

In futuro, i ricercatori vogliono esplorare più potenziali applicazioni per queste minuscole sorgenti luminose. Vogliono anche testare i limiti di quanto piccoli possono essere questi dispositivi e lavorare per incorporarli efficacemente nei sistemi quantistici. Oltre alle sorgenti luminose su scala nanometrica, il processo apre anche altre opportunità per lo sviluppo di nanodispositivi on-chip basati su perovskite ad alogenuro.

La loro tecnica fornisce anche un modo più semplice per i ricercatori di studiare i materiali a livello di singolo nanocristallo, che sperano possa ispirare altri a condurre ulteriori studi su questi e altri materiali unici.

«Lo studio di materiali su nanoscala attraverso metodi ad alto rendimento spesso richiede che i materiali siano localizzati e progettati con precisione su quella scala», aggiunge Jastrzebska-Perfect. “Fornendo quel controllo localizzato, la nostra tecnica può migliorare il modo in cui i ricercatori studiano e regolano le proprietà dei materiali per diverse applicazioni”.

“Il team ha sviluppato un metodo molto intelligente per la sintesi deterministica di singoli nanocristalli di perovskite su substrati. Possono controllare l'esatto posizionamento dei nanocristalli su una scala senza precedenti, consentendo così una piattaforma per la fabbricazione di LED su nanoscala altamente efficienti basati su singoli nanocristalli", afferma Ali Javey, professore di ingegneria elettrica e scienze informatiche presso l'Università della California a Berkeley , che non è stato coinvolto in questa ricerca. "È un lavoro entusiasmante in quanto supera una sfida fondamentale sul campo."

Questo lavoro è stato sostenuto, in parte, dalla National Science Foundation e dal MIT Center for Quantum Engineering.

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