Un nuovo tipo di semiconduttore potrebbe arrivare su un display ad alta definizione vicino a te. Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno dimostrato che una classe di semiconduttori chiamata perovskiti ad alogenuri è in grado di emettere più, colori brillanti da un singolo nanofilo a risoluzioni fino a 500 nanometri.

Le scoperte, pubblicato online questa settimana nella prima edizione del Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , rappresentano una chiara sfida per i display a punti quantici che si basano su nanocristalli semiconduttori tradizionali per emettere luce. Potrebbe anche influenzare lo sviluppo di nuove applicazioni in optoelettronica, fotovoltaico, laser nanoscopici, e fotorivelatori ultrasensibili, tra gli altri.

I ricercatori hanno utilizzato la litografia a fascio di elettroni per fabbricare eterogiunzioni di nanofili di perovskite ad alogenuri, la giunzione di due diversi semiconduttori. Nelle applicazioni per dispositivi, le eterogiunzioni determinano il livello di energia e le caratteristiche del bandgap, e sono quindi considerati un elemento fondamentale dell'elettronica moderna e del fotovoltaico.

I ricercatori hanno sottolineato che il reticolo nelle perovskiti ad alogenuri è tenuto insieme da legami ionici anziché covalenti. Nei legami ionici, atomi di carica opposta sono attratti l'uno dall'altro e trasferiscono elettroni l'uno all'altro. Legami covalenti, in contrasto, si verificano quando gli atomi condividono i loro elettroni tra loro.

"Con perovskite ad alogenuri inorganici, possiamo facilmente scambiare gli anioni nei legami ionici mantenendo la natura unicristallina dei materiali, " ha detto il ricercatore principale dello studio Peidong Yang, scienziato senior della facoltà presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab. "Questo ci consente di riconfigurare facilmente la struttura e la composizione del materiale. Ecco perché le perovskiti ad alogenuri sono considerate semiconduttori a reticolo morbido. Legami covalenti, in contrasto, sono relativamente robusti e richiedono più energia per cambiare. Il nostro studio ha sostanzialmente dimostrato che possiamo praticamente cambiare la composizione di qualsiasi segmento di questo semiconduttore morbido".

In questo caso, i ricercatori hanno testato la perovskite di alogenuro di piombo di cesio, e poi hanno usato una comune tecnica di nanofabbricazione combinata con la chimica dello scambio anionico per scambiare gli ioni alogenuro per creare ioduro di cesio piombo, bromuro, e perovskiti cloruro.

Ogni variazione ha comportato l'emissione di un colore diverso. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che più eterogiunzioni potrebbero essere progettate su un singolo nanofilo. Sono stati in grado di raggiungere una dimensione dei pixel fino a 500 nanometri, e hanno determinato che il colore del materiale era sintonizzabile su tutta la gamma della luce visibile.

I ricercatori hanno affermato che la tecnica di elaborazione della soluzione chimica utilizzata per trattare questa classe di semiconduttori a legame ionico è molto più semplice dei metodi utilizzati per produrre semiconduttori colloidali tradizionali.

"Per i semiconduttori convenzionali, fabbricare la giunzione è piuttosto complicato e costoso, ", ha affermato l'autore principale dello studio Letian Dou, che ha condotto il lavoro come borsista post-dottorato nel laboratorio di Yang. "Le alte temperature e le condizioni di vuoto sono solitamente coinvolte per controllare la crescita e il drogaggio dei materiali. Anche il controllo preciso della composizione e delle proprietà dei materiali è impegnativo perché i semiconduttori convenzionali sono "duri" a causa del forte legame covalente".

Per scambiare gli anioni in un semiconduttore morbido, il materiale viene immerso in una speciale soluzione chimica a temperatura ambiente.

"È un processo semplice, ed è molto facile da scalare, " disse Yang, che è anche professore di chimica alla UC Berkeley. "Non è necessario passare lunghe ore in una stanza pulita, e non hai bisogno di alte temperature."

I ricercatori stanno continuando a migliorare la risoluzione di questi semiconduttori morbidi, e stanno lavorando per integrarli in un circuito elettrico.