挑戰量子點技術!新型柔性半導體製備方法更簡單

2020-12-04 環球創新智慧

導讀

一種新型半導體有望應用於我們身邊的高清顯示器。最近，美國能源部所屬勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家們展示了一種半導體，稱為「金屬滷化物鈣鈦礦」，它能從單根納米線發出多種鮮豔的顏色，解析度小到500納米。

關鍵字

量子點、柔性半導體、納米、光電

背景

前不久，筆者在《基於石墨烯和量子點的圖像傳感器：應用前景廣闊！》一文中為大家介紹過量子點技術，或許許多朋友還有印象。

量子點是指一系列極小的半導體粒子，三個維度的尺寸都在100納米以下。由於尺寸極小，其內部電子在不同方向上的運動都會受限，所以其光學和電子屬性不同於大型粒子，能具有量子限域效應、表面效應、量子隧道效應、介電限域效應等特殊物理效應。

最重要的一點就是，半導體粒子處於納米級的尺寸，不同尺寸的量子點會發射出不同頻率的光，在可見光頻譜範圍內，最明顯的就是顏色的變化。

（圖片來源於：維基百科）

因為量子點只用一種材料，就可發出各種波長的光，所以有科學家甚至認為，「量子點有可能是人類有史以來發現的最優秀的發光材料」。此外，量子點發光材料的色彩純度非常高。現在，各大廠商例如三星、TCL等等，都紛紛將自己的量子點顯示器產品推向市場。

雖然量子點顯示技術是一種新興技術，但是它仍主要依賴於傳統的半導體納米晶體發出光線。然而是否會出現更新的技術，對於現有的量子點顯示技術構成挑戰呢？

創新

上述問題的答案很明顯是肯定的。現在一種新型半導體有望應用於我們周圍的高清顯示器。最近，美國能源部所屬勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的科學家們展示了一種半導體，稱為「金屬滷化物鈣鈦礦」（halide perovskites），它能從單根納米線發出多種鮮豔的色彩，解析度小到500納米。

圖片上半部分顯示出在紫外光的激發下CsPbBr3、CsPbCl3異質結分別同時發出綠色和藍色的光線。下半部分顯示CsPbI3、CsPbBr3、CsPbCl3分別放出紅色、綠色、藍色光線。

(Credit: Letian Dou/Berkeley Lab 和 Connor G. Bischak/UC Berkeley)

這項研究成果發表於這周的《美國國家科學院院刊》。

技術

研究人員使用電子束蝕刻技術製備出金屬滷化物鈣鈦礦納米線異質結，它是兩種不同的半導體相接觸所形成的界面區域。在器件應用中，異質結決定了能級和能帶隙特性，因此被認為是現代電子和太陽能光伏器件的關鍵組成部分。

研究人員指出：金屬滷化物鈣鈦礦中的晶格，通過離子鍵而不是共價鍵，聚集在一起。對於離子鍵和共價鍵的區別，高中化學教科書中有過相關介紹，我們再來回顧一下：

離子鍵是由原子之間的電子轉移而形成的，即正離子和負離子之間由於靜電引力所形成的化學鍵。相反，共價鍵是原子間共同使用它們的外層電子所形成的化學鍵。

Berkeley Lab 資深科學家、這項研究的首席調查員 Peidong Yang 稱：

「通過無機金屬滷化物鈣鈦礦，我們能在離子鍵中輕易地交換陰離子，同時保持材料的單晶體特性。因此我們能輕易地重新配置材料的結構和組成。這也是金屬滷化物鈣鈦礦被稱為柔性晶格半導體的原因。相反，共價鍵則相對強健，需要更多的能量來改變。我們的研究基本上證明，我們幾乎能改變這種柔性半導體任何部分的組成。」

在這個案例中，研究人員測試了銫鉛滷鈣鈦礦。然後，他們使用一種普通的納米製備技術結合陰離子交換化學，交換出滷化物離子，產生出CsPbI3、CsPbBr3、CsPbCl3。

每種類型的化合物都會發出不同顏色的光線。此外，研究人員展示多個異質結可以設計在單根納米線上。它們能夠完成像素尺寸為500納米，且他們判定材料的顏色在整個可見光範圍內可調。

CsPbCl3 (藍色) 和 CsPbBr3 (綠色) 交替組成的平面。

(Credit: Letian Dou/Berkeley Lab 和 Connor G. Bischak/UC Berkeley)

研究人員稱針對這種柔性離子鍵半導體的化學溶液處理技術，比用於製備傳統的膠體半導體的方法更加簡單。Yang的實驗室的博士後研究員、論文合著者 Letian Dou 稱：

「對於傳統的半導體來說，製備這種結是相當複雜和昂貴的。通常，要在高溫和真空條件下，進行控制材料的生長和摻雜。精確控制材料的組成和特性也是一項挑戰，由於強共價鍵的緣故，傳統的半導體比較『硬』。」

為了在柔性半導體材料中交換陰離子，在室溫條件下，該材料浸泡於一種特殊的化學溶液中。

價值

加州大學伯克利分校的化學教授 Yang 稱：

「這是一項簡單的工藝，且非常易於擴展。你無需乾淨的房間，無需花費很多時間，也無需高溫條件。」

同時，這項技術也促進了光電器件、太陽能光伏、納米雷射和超靈敏光電探測器等新型應用的開發。

研究人員正在持續提升這種柔性半導體的解析度，也正努力將它們集成到電路中。

參考資料

【1】http://newscenter.lbl.gov/2017/06/26/halide-perovskites-soft-semiconductors-hd-displays/

【2】http://www.pnas.org/content/early/2017/06/20/1703860114.abstract

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