光电纳米技术的创新：麻省理工学院培育出精确的纳米LED阵列

一项新技术可以在需要的地方生产钙钛矿纳米晶体，因此这种极其精致的材料可以集成到纳米级设备中。麻省理工学院的研究人员开发了一种突破性的方法来精确生长卤化物钙钛矿纳米晶体，从而消除了破坏性制造技术的需要。 该技术有助于开发 nanoLED 和其他功能性纳米级器件，具有光通信、计算和高分辨率显示技术进步的潜力。

麻省理工学院的一个新平台使研究人员能够 "生长 "卤化物包晶纳米晶体，并精确控制每个晶体的位置和尺寸，将它们集成到纳米级发光二极管中。图为纳米晶体阵列发光效果图。图片来源：Sampson Wilcox, RLE提供

卤化物钙钛矿是一类材料，因其优异的光电特性以及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而引起人们的关注。

这些材料已主要应用于薄膜或微米尺寸的设备应用中。 在纳米尺度上精确集成这些材料可以开辟更非凡的应用，例如片上光源、光电探测器和忆阻器。 然而，实现这种集成仍然具有挑战性，因为这种精致的材料可能会被传统的制造和图案化技术损坏。

为了克服这一障碍，麻省理工学院的研究人员发明了一种技术，可以在需要的地方现场生长单个卤化物钙钛矿纳米晶体，并精确控制位置，尺寸在 50 纳米以内。 （一张纸的厚度为 100000 纳米）纳米晶体的尺寸也可以通过该技术精确控制，这一点很重要，因为尺寸会影响其特性。 由于材料是局部生长的，具有所需的特征，因此不需要可能造成损坏的传统光刻图案化步骤。

NanOLED阵列（如图所示）可应用于光通信和计算、无透镜显微镜、新型量子光源以及用于增强和虚拟现实的高密度、高分辨率显示器。 图片来源：研究人员提供

该技术还具有可扩展性、多功能性，并且与传统的制造步骤兼容，因此它可以使纳米晶体集成到功能性纳米级器件中。 研究人员用它来制造纳米级发光二极管（nanoLED）阵列，这是一种在电激活时发光的微小晶体。 这种阵列可应用于光通信和计算、无透镜显微镜、新型量子光源以及用于增强和虚拟现实的高密度、高分辨率显示器。

“正如我们的工作所示，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，这些技术可以让我们在极端纳米尺度上操纵物质，帮助我们实现非常规设备平台，这对于满足新兴技术需求非常重要。” Landsman 电气工程和计算机科学 (EECS) 职业发展助理教授、电子研究实验室 (RLE) 成员，也是描述这项工作的新论文的资深作者。

Niroui 的合著者包括主要作者 Patricia Jastrzebska-Perfect，她是 EECS 研究生； 朱伟坤，化学工程系研究生； Mayuran Saravanapavanantham、Sarah Spector、Roberto Brenes 和 Peter Satterthwaite，均为 EECS 研究生； 郑莉，RLE博士后； Rajeev Ram，电气工程教授。 该研究于 7 月 6 日发表在《自然通讯》杂志上。

微小的晶体，巨大的挑战

使用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是极其困难的。 在一种方法中，可以使用光刻工艺对易碎的钙钛矿薄膜进行图案化，该工艺需要可能损坏材料的溶剂。 在另一种方法中，首先在溶液中形成较小的晶体，然后以所需的图案从溶液中拾取并放置。

“这两种情况都缺乏控制、分辨率和集成能力，这限制了材料扩展到纳米设备的方式，”尼鲁伊说。相反，她和她的团队开发了一种方法，可以在精确的位置直接“生长”卤化物钙钛矿晶体到所需的表面，然后在该表面上制造纳米器件。

他们的流程的核心是本地化纳米晶体生长中使用的解决方案。 为此，他们创建了一个带有小孔的纳米级模板，其中包含晶体生长的化学过程。 它们修改模板的表面和孔的内部，控制一种称为“润湿性”的特性，因此含有钙钛矿材料的溶液不会聚集在模板表面上，并将被限制在孔内。

“现在就有了这些非常小的、确定性的反应堆，材料可以在其中生长，”她说。 他们将含有卤化物钙钛矿生长材料的溶液施加到模板上，随着溶剂蒸发，材料生长并在每个孔中形成微小的晶体。

一种多功能且可调节的技术

研究人员发现孔的形状在控制纳米晶体的位置方面起着关键作用。 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孔的四个角中。 对于某些应用来说，这可能已经足够了，但对于其他应用来说，纳米晶体的放置需要更高的精度。

通过改变孔的形状，研究人员能够设计这些纳米级的力，使晶体优先放置在所需的位置。当溶剂在孔内蒸发时，纳米晶体会经历压力梯度，产生定向力，确切的方向由孔的不对称形状确定。Niroui 说：“这使我们不仅在生长方面，而且在这些纳米晶体的放置方面都具有非常高的精度。”

他们还发现可以控制井内形成的晶体的大小。 改变孔的大小以允许内部更多或更少的生长溶液产生更大或更小的晶体。通过制造精确的 nanoLED 阵列展示了其技术的有效性。 在这种方法中，每个纳米晶体都被制成发光的纳米像素。 这些高密度 nanoLED 阵列可用于片上光通信和计算、量子光源、显微镜以及增强和虚拟现实应用的高分辨率显示器。

未来，研究人员希望探索这些微小光源的更多潜在应用。 他们还想测试这些设备的极限，并努力将它们有效地整合到量子系统中。 除了纳米级光源之外，该过程还为开发基于卤化物钙钛矿的片上纳米器件开辟了其他机会。

他们的技术还为研究人员提供了一种更简单的方法来研究单个纳米晶体水平的材料，他们希望这将激励其他人对这些和其他独特材料进行更多研究。

Jastrzebska-Perfect 补充道：“通过高通量方法研究纳米级材料通常需要对材料进行精确定位并按该规模进行设计。通过提供局部控制，我们的技术可以改善研究人员研究和调整材料性能以适应不同应用的方式。”

“该团队开发了一种非常聪明的方法，可以在基板上确定性地合成单个钙钛矿纳米晶体。 他们可以以前所未有的规模控制纳米晶体的精确放置，从而为基于单纳米晶体制造高效纳米级 LED 提供了一个平台。”加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授 Ali Javey 说道 ，他没有参与这项研究。 “这是一项令人兴奋的工作，因为它克服了该领域的基本挑战。”