麻省理工学院团队生长钙钛矿纳米LED阵列

新技术可在所需之处生产钙钛矿纳米晶体

卤化物钙钛矿因其光电特性，以及在高性能太阳能电池、LED和激光器等器件中的潜在应用受到关注。

到目前为止，这些材料主要应用于薄膜或微米尺寸的器件。但如果在纳米尺度上精确集成这些材料，可使片上光源、片上光探测器和片上忆阻器成为可能。

实现这一集成仍具有挑战性，因为传统制造和图案化技术可能对这一精细材料造成损坏。为了克服这一障碍，麻省理工学院的研究人员创建了一种技术，可以精确控制位置，在所需之处生长尺寸在50纳米以内的独立卤化物钙钛矿纳米晶体。

相关论文发表在《自然通讯》上，题为“用于集成纳米器件的钙钛矿纳米晶体阵列的原位生长”。

研究人员表示，通过这项技术也可以精确控制纳米晶体的尺寸，这很重要，因为尺寸会影响纳米晶体的特性。由于材料是以所需特征进行局部生长的，因此不需要可能造成损坏的传统光刻图案化步骤。

该技术还具有可扩展性、多功能性，且与传统制造步骤兼容，因此可使纳米晶体集成到功能性纳米级器件中。研究人员可运用这项技术制造纳米LED阵列，这些阵列在光通信和计算、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、高分辨率显示器方面具有应用前景。

电气工程和计算机科学(EECS)助理教授，电子学研究实验室(RLE)成员，以及描述上述研究的新论文高级作者Farnaz Niroui表示，“这些技术通过超越纳米制造、材料工程和器件设计的传统界限，可以让我们在极端纳米尺度上操纵物质，帮助我们创建非常规器件平台，此类平台对于解决新兴技术需求非常重要。”

微小晶体，巨大挑战

使用传统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度困难的。在某种方法中，使用光刻工艺可对易损的钙钛矿薄膜进行图案化，但该工艺所需溶剂可能会损坏材料。在另一种方法中，首先在溶液中形成较小的晶体，然后从溶液中拾取晶体并将其放置于所需图案中。

Niroui表示，“这两种情况都缺乏控制、解决方法和集成能力，限制了材料扩展为纳米器件的方式。”

她和团队开发了一种取而代之的方法，可以直接在所需表面的精确位置“生长”卤化物钙钛矿晶体，然后在该表面上制造纳米器件。

Niroui团队的工艺核心集中于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凹槽的纳米级模板，其中包含生长晶体的化学工艺。Niroui团队对模板表面和凹槽内部进行调整，对名为“润湿性”的特性进行控制，因此使含有钙钛矿材料的溶液不会聚集在模板表面，而是限制在凹槽内部。

Niroui说，“现在，你有了这些非常小的确定性反应器，材料可以在其中生长。”

这正是所发生的情况。Niroui团队将含有卤化物钙钛矿生长材料的溶液涂在模板上，随着溶剂蒸发，材料在每个凹槽中生长并形成微小的晶体。

一项多功能且可调节的技术

研究人员发现，在控制纳米晶体的定位方面，凹槽的形状起着关键作用。如果使用方形凹槽，由于纳米级力的影响，晶体分置于凹槽四个角的机会均等。对于某些应用来说，这可能已经足够好了，但对于其他应用来说，纳米晶体的布局有必要具备更高精度。

研究人员通过改变凹槽形状，能够精心安排这些纳米级力，将晶体优先放置于所需位置。

研究人员通过改变凹槽形状，能够精心安排这些纳米级力，将晶体优先放置于所需位置。

随着凹槽内溶剂蒸发，纳米晶体会经历压力梯度，产生定向力，定向力的确切方向由凹槽的不对称形状确定。

Niroui说，“这项技术使我们不仅在这些纳米晶体生长方面，而且在其布局方面都具有非常高的精度。”

研究人员还发现可以控制凹槽内形成的晶体尺寸。改变凹槽尺寸可使其内部储存的生长溶液增多或减少，从而产生更大或更小的晶体。

研究人员通过制造精确的纳米LED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。这些高密度纳米LED阵列可用于片上光通信和计算、量子光源、显微镜、以及应用于增强和虚拟现实的高分辨率显示器。

未来，研究人员希望探索这些微小光源的更多潜在应用。他们还想测试这些器件的极限，并努力将其有效地整合到量子系统中。除了纳米级光源之外，该工艺还为开发基于卤化物钙钛矿的片上纳米器件提供了其他机会。

这项研究获得了国家科学基金会，以及麻省理工学院量子工程中心的部分支持。