Le perovskiti ad 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 per 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, fotorilevatori e memristori. Tuttavia, raggiungere 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 ai singoli nanocristalli di perovskite di alogenuri di essere coltivati 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, il 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 causare 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 scala nanometrica. I ricercatori lo hanno utilizzato per fabbricare array di diodi emettitori di luce su scala nanometrica (nanoLED), minuscoli cristalli che emettono luce quando attivati elettricamente. Tali array potrebbero avere applicazioni nella comunicazione ottica e nell'informatica, microscopi senza lenti, nuovi tipi di sorgenti luminose quantistiche e display ad alta densità e alta risoluzione per la realtà aumentata e virtuale.
"Come dimostra il nostro lavoro, è fondamentale sviluppare nuove strutture ingegneristiche per l'integrazione dei 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 su scala nanometrica estrema dimensioni, aiutandoci a realizzare piattaforme di dispositivi non convenzionali importanti per affrontare le esigenze tecnologiche emergenti", afferma Farnaz Niroui, professore assistente per lo sviluppo della carriera EE Landsman di ingegneria elettrica e informatica (EECS), membro del laboratorio di ricerca di elettronica (RLE), e autore senior di un nuovo articolo 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 studenti laureati EECS; Zheng Li, un postdoc RLE; e Rajeev Ram, professore di ingegneria elettrica. La ricerca sarà pubblicata su Nature Communications .
L'integrazione delle perovskiti di alogenuri in dispositivi su nanoscala su chip è estremamente difficile utilizzando le tradizionali tecniche di fabbricazione su nanoscala. In un approccio, un sottile film di fragili perovskiti può essere modellato utilizzando processi litografici, che richiedono solventi che potrebbero danneggiare il materiale. In un altro approccio, i cristalli più piccoli vengono prima formati in soluzione e poi raccolti e posizionati dalla soluzione nello schema desiderato.
"In entrambi i casi c'è una mancanza di controllo, risoluzione e capacità di integrazione, il 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 di alogenuri 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 del modello e l'interno dei pozzetti, controllando una proprietà nota come "bagnabilità", in modo che una soluzione contenente materiale perovskite non si accumuli sulla superficie del modello e venga confinata all'interno dei pozzetti.
"Ora abbiamo questi reattori molto piccoli e deterministici all'interno dei quali il materiale può crescere", afferma.
E questo è esattamente ciò che accade. Applicano al modello una soluzione contenente materiale di crescita di perovskite alogenuro e, man mano che il solvente evapora, il materiale cresce e forma un minuscolo cristallo in ciascun pozzetto.
I ricercatori hanno scoperto che la forma dei pozzetti gioca un ruolo fondamentale nel controllo del posizionamento dei nanocristalli. Se si utilizzano pozzi quadrati, a causa dell'influenza delle forze su scala nanometrica, i cristalli hanno la stessa possibilità di essere posizionati in ciascuno dei quattro angoli del pozzo. Per alcune applicazioni ciò 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 progettare queste forze su scala nanometrica in modo tale che un cristallo venga posizionato preferenzialmente nella posizione desiderata.
Man mano che il solvente evapora all'interno del pozzo, il nanocristallo sperimenta un gradiente di pressione che crea una forza direzionale, la cui direzione esatta viene 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. Cambiando la dimensione dei pozzetti per consentire una maggiore o minore crescita della soluzione all'interno si generano cristalli più grandi o più piccoli.
Hanno dimostrato l'efficacia della loro tecnica fabbricando precise matrici 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 comunicazione ottica e calcolo 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 ulteriori 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 su chip basati su alogenuro di perovskite.
La loro tecnica fornisce inoltre ai ricercatori un modo più semplice per studiare i materiali a livello dei singoli nanocristalli, cosa che sperano possa ispirare altri a condurre ulteriori studi su questi e altri materiali unici.
"Lo studio dei materiali su scala nanometrica attraverso metodi ad alto rendimento spesso richiede che i materiali siano localizzati con precisione e progettati su quella scala", aggiunge Jastrzebska-Perfect. "Fornendo questo controllo localizzato, la nostra tecnica può migliorare il modo in cui i ricercatori indagano e mettono a punto le proprietà dei materiali per diverse applicazioni."
Ulteriori informazioni: Crescita in loco di array di nanocristalli di perovskite per nanodispositivi integrati, Nature Communications (2023). dx.doi.org/10.1038/s41467-023-39488-0
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
