Une plaque 2-D montrant une alternance de segments de chlorure de plomb césium (bleu) et de bromure de plomb césium (vert). Crédit :Letian Dou/Berkeley Lab et Connor G. Bischak/UC Berkeley
Un nouveau type de semi-conducteur peut arriver sur un écran haute définition près de chez vous. Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont montré qu'une classe de semi-conducteurs appelés pérovskites aux halogénures est capable d'émettre plusieurs, des couleurs vives à partir d'un seul nanofil à des résolutions aussi petites que 500 nanomètres.
Les résultats, publié en ligne cette semaine dans la première édition du Actes de l'Académie nationale des sciences , représentent un défi évident pour les écrans à points quantiques qui reposent sur des nanocristaux semi-conducteurs traditionnels pour émettre de la lumière. Elle pourrait également influencer le développement de nouvelles applications en optoélectronique, photovoltaïque, lasers nanoscopiques, et photodétecteurs ultrasensibles, entre autres.
Les chercheurs ont utilisé la lithographie par faisceau d'électrons pour fabriquer des hétérojonctions de nanofils de pérovskite aux halogénures, la jonction de deux semi-conducteurs différents. Dans les applications de périphérique, les hétérojonctions déterminent le niveau d'énergie et les caractéristiques de bande interdite, et sont donc considérés comme un élément clé de l'électronique et du photovoltaïque modernes.
Les chercheurs ont souligné que le réseau des pérovskites aux halogénures est maintenu par des liaisons ioniques au lieu de liaisons covalentes. Dans les liaisons ioniques, des atomes de charges opposées sont attirés les uns vers les autres et transfèrent des électrons les uns aux autres. Des liaisons covalentes, en revanche, se produisent lorsque les atomes partagent leurs électrons les uns avec les autres.
Un nanofil à hétérojonction bromure de plomb césium (CsPbBr3) -- chlorure de césium plomb (CsPbCl3) émettant simultanément de la lumière verte et bleue sous excitation UV. Crédit :Letian Dou/Berkeley Lab et Connor G. Bischak/UC Berkeley
"Avec la pérovskite aux halogénures inorganiques, on peut facilement échanger les anions dans les liaisons ioniques tout en conservant le caractère monocristallin des matériaux, " a déclaré le chercheur principal de l'étude Peidong Yang, chercheur principal à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab. "Cela nous permet de reconfigurer facilement la structure et la composition du matériau. C'est pourquoi les pérovskites aux halogénures sont considérées comme des semi-conducteurs à réseau souple. Les liaisons covalentes, en revanche, sont relativement robustes et nécessitent plus d'énergie pour changer. Notre étude a essentiellement montré que nous pouvons à peu près changer la composition de n'importe quel segment de ce semi-conducteur mou."
Dans ce cas, les chercheurs ont testé la pérovskite aux halogénures de plomb au césium, puis ils ont utilisé une technique de nanofabrication commune combinée à une chimie d'échange d'anions pour échanger les ions halogénures pour créer de l'iodure de plomb au césium, bromure, et les pérovskites de chlorure.
Chaque variation a donné lieu à une couleur différente émise. De plus, les chercheurs ont montré que plusieurs hétérojonctions pouvaient être conçues sur un seul nanofil. Ils ont pu atteindre une taille de pixel jusqu'à 500 nanomètres, et ils ont déterminé que la couleur du matériau était accordable dans toute la gamme de lumière visible.
Les chercheurs ont déclaré que la technique de traitement de solution chimique utilisée pour traiter cette classe de semi-conducteurs à liaison ionique est beaucoup plus simple que les méthodes utilisées pour fabriquer des semi-conducteurs colloïdaux traditionnels.
Un nanofil à hétérojonction iodure de plomb césium-bromure de plomb césium-chlorure de plomb césium émettant simultanément du rouge, vert, et la lumière bleue sous excitation UV. Crédit :Letian Dou/Berkeley Lab et Connor G. Bischak/UC Berkeley
"Pour les semi-conducteurs conventionnels, la fabrication de la jonction est assez compliquée et coûteuse, " a déclaré Letian Dou, co-auteur principal de l'étude, qui a mené le travail en tant que stagiaire postdoctoral dans le laboratoire de Yang. « Des températures élevées et des conditions de vide sont généralement impliquées pour contrôler la croissance et le dopage des matériaux. Le contrôle précis de la composition et des propriétés des matériaux est également difficile car les semi-conducteurs conventionnels sont « durs » en raison de la forte liaison covalente. »
Pour échanger les anions dans un semi-conducteur mou, le matériau est trempé dans une solution chimique spéciale à température ambiante.
"C'est un processus simple, et il est très facile à mettre à l'échelle, " dit Yang, qui est également professeur de chimie à l'UC Berkeley. "Vous n'avez pas besoin de passer de longues heures dans une salle blanche, et vous n'avez pas besoin de températures élevées."
Les chercheurs continuent d'améliorer la résolution de ces semi-conducteurs souples, et travaillent à les intégrer dans un circuit électrique.
