MIT为AR/VR高密度分辨率显示提出卤化物钙钛矿纳米晶体

作者刘卫华 · 分类论文 · 2023年07月17日 09:02:25

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不需要可能引入传统的光刻图案化步骤

（映维网Nweon 2023年07月17日）因其优越的光电性能和在高性能太阳能电池、发光二极管和激光器等器件中的潜在应用，卤化物钙钛矿引起了人们的大量关注。

这类材料已经在很大程度上应用于薄膜或微米尺寸的器件中。然而，实现集成依然具有挑战性，因为这种微妙的材料可能会遭到传统的制造和图案技术破坏。

为了克服这一障碍，MIT麻省理工学院的研究人员创造了一种可以在需要的位置生长单个卤化物钙钛矿纳米晶体，并精确控制位置的技术，误差小于50纳米。纳米晶体的尺寸同样可以通过所述技术精确控制。这一点很重要，因为尺寸会影响它们的特性。由于材料是本地生长，具有所需的特征，所以不需要可能引入传统的光刻图案化步骤。

值得一提的是，所述技术可扩展，并且与传统的制造步骤兼容，因此可以令纳米晶体集成到功能纳米级器件中。研究人员利用这种材料制造了纳米级发光二极管阵列，一种当电激活时发光的微小晶体。

MIT指出，这种阵列可以应用于增强现实和虚拟现实的高密度、高分辨率显示器，以及其他领域。

名为《On-site growth of perovskite nanocrystal arrays for integrated nanodevices》的论文已经发表到《Nature Communications》。

论文作者表示：“正如我们的研究所表明，开发新的工程框架将纳米材料集成到功能性纳米器件中至关重要。通过超越纳米制造、材料工程和设备设计的传统界限，这种技术可允许我们在极端的纳米尺度上操纵物质，帮助我们实现对满足新兴技术需求至关重要的非常规设备平台。”

微小的晶体，巨大的挑战

对于传统的纳米级制造技术，将卤化物钙钛矿集成到片上纳米级器件中极其困难。一种方法是使用光刻工艺制作易碎的钙钛矿薄膜，而这需要可能损坏材料的溶剂。在另一种方法中，首先是在溶液中形成较小的晶体，然后从溶液中取出并以所需的模式放置。

研究人员指出：“这两种方法都缺乏控制、分辨率和集成能力，限制了材料扩展到纳米器件的方式。”

所以，MIT团队开发了一种在精确的位置“生长”卤化物钙钛矿晶体的方法。

所述工艺的核心是定位纳米晶体生长中使用的溶液。为了做到这一点，他们创造了一个包含小孔的纳米级模板。他们修改模板的表面和空的内部，控制一种称为“润湿性”的特性，这样含有钙钛矿材料的溶液就不会聚集在模板表面，而是限制在孔内。

概括来说，他们研发了一个可以控制卤化物钙钛矿纳米晶体阵列的尺寸，数量和位置，同时确保与器件集成过程的兼容性的自下而上平台。所述方法使用一种由不对称表面润湿性井组成的光刻图型topographical template来限制纳米晶体的生长。他们使用模板几何形状和表面润湿来诱导局部定向力，从而在生长过程中进一步引导纳米晶体定位，从而超越传统的光刻技术建立的极限。

研究人员指出：“现在，你有了这种非常小而确定的反应堆，而材料可以在其中生长。”

事实就是如此。他们将含有卤化物钙钛矿生长材料的溶液涂在模板上，随着溶剂的蒸发，材料生长并在每个孔中形成微小的晶体。

利用这种技术，团队展示了可扩展的铯溴化铅CsPbBr3纳米晶体阵列，其尺寸可调至<50 nm，定位精度<50 nm。 一种通用的和可调的技术

研究人员发现，孔的形状在控制纳米晶体定位方面起着关键作用。如果使用方形孔，由于纳米级力的影响，晶体有相同的机会放置在每个孔的四个角上。对于特定应用来说，这可能已经足够好，但对于其他应用来说，需要在纳米晶体放置方面有更高的精度。

通过改变孔的形状，研究人员能够设计纳米级的力，使晶体优先放置在所需的位置。

当溶剂在孔内蒸发时，纳米晶体会经历一个压力梯度，从而产生一个定向力，并通过孔的不对称形状来确定准确的方向。

团队表示：“这使得我们不仅在生长方面，而且在纳米晶体的放置方面都具有非常高的精度。”

他们同时发现他们可以控制孔内形成的晶体的大小。改变孔的大小，允许或多或少的生长溶液进入，产生或大或小的晶体。

他们通过制造精确的nanoLED阵列证明了他们技术的有效性。在这种方法中，每个纳米晶体制成一个发光的纳米像素。这种高密度nanoLED阵列可用于增强现实和虚拟现实应用的高分辨率显示器，以及其他用例。