Les pérovskites aux halogénures sont une famille de matériaux qui ont attiré l'attention pour leurs propriétés optoélectroniques supérieures et leurs applications potentielles dans des dispositifs tels que les cellules solaires hautes performances, les diodes électroluminescentes et les lasers.
Ces matériaux ont été largement mis en œuvre dans des applications de dispositifs à couches minces ou de taille micrométrique. L'intégration précise de ces matériaux à l'échelle nanométrique pourrait ouvrir la voie à des applications encore plus remarquables, telles que les sources de lumière sur puce, les photodétecteurs et les memristors. Cependant, réaliser cette intégration reste un défi car ce matériau délicat peut être endommagé par les techniques conventionnelles de fabrication et de modelage.
Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs du MIT ont créé une technique qui permet de cultiver des nanocristaux de pérovskite aux halogénures individuels sur place, là où cela est nécessaire, avec un contrôle précis de l'emplacement, à moins de 50 nanomètres. (Une feuille de papier a une épaisseur de 100 000 nanomètres.) La taille des nanocristaux peut également être contrôlée avec précision grâce à cette technique, ce qui est important car la taille affecte leurs caractéristiques. Étant donné que le matériau est cultivé localement avec les caractéristiques souhaitées, les étapes de modélisation lithographique conventionnelles qui pourraient introduire des dommages ne sont pas nécessaires.
La technique est également évolutive, polyvalente et compatible avec les étapes de fabrication conventionnelles, de sorte qu’elle peut permettre aux nanocristaux d’être intégrés dans des dispositifs fonctionnels à l’échelle nanométrique. Les chercheurs l’ont utilisé pour fabriquer des réseaux de diodes électroluminescentes à l’échelle nanométrique (nanoLED), de minuscules cristaux qui émettent de la lumière lorsqu’ils sont activés électriquement. De tels réseaux pourraient avoir des applications dans les domaines de la communication optique et de l'informatique, des microscopes sans lentille, de nouveaux types de sources de lumière quantique et des écrans haute densité et haute résolution pour la réalité augmentée et virtuelle.
"Comme le montrent nos travaux, il est essentiel de développer de nouveaux cadres d'ingénierie pour l'intégration des nanomatériaux dans des nanodispositifs fonctionnels. En dépassant les frontières traditionnelles de la nanofabrication, de l'ingénierie des matériaux et de la conception de dispositifs, ces techniques peuvent nous permettre de manipuler la matière à l'extrême nanoéchelle. dimensions, nous aidant à réaliser des plates-formes de dispositifs non conventionnelles importantes pour répondre aux besoins technologiques émergents », déclare Farnaz Niroui, professeur adjoint de développement de carrière EE Landsman en génie électrique et informatique (EECS), membre du Laboratoire de recherche en électronique (RLE), et auteur principal d'un nouvel article décrivant le travail.
Les co-auteurs de Niroui incluent l'auteur principal Patricia Jastrzebska-Perfect, étudiante diplômée de l'EECS ; Weikun « Spencer » Zhu, étudiant diplômé au Département de génie chimique; Mayuran Saravanapavanantham, Sarah Spector, Roberto Brenes et Peter Satterthwaite, tous étudiants diplômés de l'EECS ; Zheng Li, postdoctorant RLE ; et Rajeev Ram, professeur de génie électrique. La recherche sera publiée dans Nature Communications .
L’intégration de pérovskites aux halogénures dans des dispositifs à l’échelle nanométrique sur puce est extrêmement difficile à l’aide des techniques de fabrication conventionnelles à l’échelle nanométrique. Dans une approche, un mince film de pérovskites fragiles peut être modelé à l'aide de procédés lithographiques, qui nécessitent des solvants susceptibles d'endommager le matériau. Dans une autre approche, des cristaux plus petits sont d'abord formés dans la solution, puis sélectionnés et placés dans la solution selon le motif souhaité.
"Dans les deux cas, il y a un manque de contrôle, de résolution et de capacité d'intégration, ce qui limite la manière dont le matériau peut être étendu aux nanodispositifs", explique Niroui.
Au lieu de cela, elle et son équipe ont développé une approche permettant de « faire pousser » des cristaux de pérovskite aux halogénures à des endroits précis, directement sur la surface souhaitée, où le nanodispositif sera ensuite fabriqué.
Le cœur de leur processus consiste à localiser la solution utilisée dans la croissance des nanocristaux. Pour ce faire, ils créent un modèle à l’échelle nanométrique avec de petits puits contenant le processus chimique par lequel les cristaux se développent. Ils modifient la surface du modèle et l'intérieur des puits, contrôlant une propriété connue sous le nom de « mouillabilité » afin qu'une solution contenant de la pérovskite ne s'accumule pas sur la surface du modèle et soit confinée à l'intérieur des puits.
"Maintenant, vous disposez de très petits réacteurs déterministes dans lesquels la matière peut se développer", dit-elle.
Et c'est exactement ce qui se passe. Ils appliquent une solution contenant un matériau de croissance halogénure pérovskite sur le modèle et, à mesure que le solvant s'évapore, le matériau se développe et forme un minuscule cristal dans chaque puits.
Les chercheurs ont découvert que la forme des puits joue un rôle essentiel dans le contrôle du positionnement des nanocristaux. Si des puits carrés sont utilisés, en raison de l'influence des forces à l'échelle nanométrique, les cristaux ont une chance égale d'être placés dans chacun des quatre coins du puits. Pour certaines applications, cela peut suffire, mais pour d'autres, il est nécessaire d'avoir une plus grande précision dans le placement des nanocristaux.
En modifiant la forme du puits, les chercheurs ont pu concevoir ces forces à l'échelle nanométrique de telle manière qu'un cristal soit placé de préférence à l'emplacement souhaité.
À mesure que le solvant s'évapore à l'intérieur du puits, le nanocristal subit un gradient de pression qui crée une force directionnelle, la direction exacte étant déterminée à l'aide de la forme asymétrique du puits.
"Cela nous permet d'avoir une très grande précision, non seulement dans la croissance, mais aussi dans le placement de ces nanocristaux", explique Niroui.
Ils ont également découvert qu’ils pouvaient contrôler la taille des cristaux qui se forment à l’intérieur d’un puits. Changer la taille des puits pour permettre plus ou moins de solution de croissance à l'intérieur génère des cristaux plus ou moins grands.
Ils ont démontré l’efficacité de leur technique en fabriquant des réseaux précis de nanoLED. Dans cette approche, chaque nanocristal est transformé en nanopixel qui émet de la lumière. Ces réseaux de nanoLED haute densité pourraient être utilisés pour la communication optique et l'informatique sur puce, les sources de lumière quantique, la microscopie et les écrans haute résolution pour les applications de réalité augmentée et virtuelle.
À l’avenir, les chercheurs souhaitent explorer davantage d’applications potentielles pour ces minuscules sources lumineuses. Ils souhaitent également tester les limites de la taille de ces appareils et travailler à leur intégration efficace dans les systèmes quantiques. Au-delà des sources de lumière à l'échelle nanométrique, le processus ouvre également d'autres opportunités pour le développement de nanodispositifs sur puce à base de pérovskite aux halogénures.
Leur technique offre également aux chercheurs un moyen plus simple d'étudier les matériaux au niveau des nanocristaux individuels, ce qui, espèrent-ils, inspirera d'autres personnes à mener des études supplémentaires sur ces matériaux et sur d'autres matériaux uniques.
"L'étude des matériaux à l'échelle nanométrique au moyen de méthodes à haut débit nécessite souvent que les matériaux soient localisés avec précision et fabriqués à cette échelle", ajoute Jastrzebska-Perfect. "En fournissant ce contrôle localisé, notre technique peut améliorer la façon dont les chercheurs étudient et ajustent les propriétés des matériaux pour diverses applications."
Plus d'informations : Croissance sur site de réseaux de nanocristaux de pérovskite pour des nanodispositifs intégrés, Nature Communications (2023). dx.doi.org/10.1038/s41467-023-39488-0
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par le Massachusetts Institute of Technology
