Elektronik

Weiche Halbleiter können die nächste Generation von HD-Displays mit Nanometer-Pixeln einläuten

Angela Belcher: Using nature to grow batteries (Januar 2019).

Anonim

Eine neue Klasse weicher Halbleiter könnte HD-Displays verwandeln

Von Jean-Jacques DeLisle, beitragender Autor

Um die nächste Generation der High-Definition-Display-Technologie einzuführen, hat ein Forschungsteam des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Department of Energy eine neue lichtemittierende Nanodraht-Technologie entwickelt, die aus weichen Halbleitern besteht. Aus einem einzigen Nanodraht konnte das Team rote, grüne, blaue (RGB) Lichtemitter und Nanodrähte bis zu 500 Nanometern entwickeln. Zum Vergleich: Apples Flaggschiff-Retina-Displays können bis zu 400 Pixel pro Zoll erreichen, bei etwa 60 Mikrometern pro Pixel. Die Forscher von Berkeley Lab konnten Lichtemitter erzeugen, die ungefähr 50.000 Pixel pro Zoll erreichen konnten, zwei Größenordnungen mehr.

Bei dieser Größe könnte diese neue Technologie mit der neuesten Quantenpunkt-Technologie konkurrieren, die immer noch Standard-Halbleiter-Nanokristalle verwendet, die Licht emittieren. Obwohl die Forschungsdemonstration sich auf Lichtemission konzentrierte, könnte die "weiche" Halbleiter-Nanodraht-Heterojunction-Vorrichtungstechnologie für mehr als nur Anzeigeanwendungen nützlich sein und könnte ein Hauptakteur in der zukünftigen Photovoltaik, Festkörperbeleuchtung, Mehrfarben-LED-Lasern und anderen Rand optoelektronische Anwendungen. Darüber hinaus kann die gleiche Technologie auch in hochdichten Dioden und Transistoranordnungen zum Einsatz kommen, was den Zugang zu vielen Anwendungen jenseits des Stands der Technik öffnet.

Diese Grafik vergleicht die Farberzeugung aus einem Cäsium-Bleibromid (CsPbBr 3 ) -Cesium-Bleichlorid (CsPbCl 3 ) Heterojunction-Halbleiter (Top Panel) unter UV-Anregung und Cäsium-Bleiiodid (CsPbI 3 ) -Cesium-Bleibromid-Caesium-Bleichlorid ( Unteres Panel) rote, blaue und grüne Konfiguration unter UV-Anregung. Kredit: Letian Dou / Berkeley Lab und Connor G. Bischak / UC Berkeley.

Das Rückgrat dieser neuen Technologie ist die Verwendung von Halogenid-Perowskit-Nanodraht-Heteroübergängen, die aus einer Gitterstruktur von ionischen anstelle von kovalenten Bindungen besteht, wie dies bei herkömmlichen Halbleitern der Fall ist. Als "weiche" Halbleiter bezeichnet, können ionische Bindungen leichter manipuliert werden als "härtere" kovalente Bindungen.

In dem auf pnas.org veröffentlichten Bericht sagte Peidong Yang, leitender Wissenschaftler an der Materialwissenschaften-Abteilung von Berkeley Lab: "Mit anorganischem Halogenid-Perowskit können wir die Anionen in den Ionenbindungen leicht austauschen, während wir die einkristalline Natur der Materialien beibehalten. Dies ermöglicht uns, die Struktur und Zusammensetzung des Materials leicht zu rekonfigurieren. Deshalb werden Halogenidperowskite als weiche Gitterhalbleiter betrachtet. Kovalente Bindungen sind dagegen relativ robust und benötigen mehr Energie, um sich zu verändern. Unsere Studie hat im Wesentlichen gezeigt, dass wir die Zusammensetzung jedes Segments dieses weichen Halbleiters so gut wie verändern können. "

Dies bedeutet, dass die Forscher Nanofabrikationstechniken mit Anionenaustauschchemie verwenden konnten, um die Halogenidionen von Cäsium-Bleihalogenid-Perowskit entweder gegen Cäsiumbromid oder Cäsiumchlorid auszutauschen und so die Farbemission zu verändern. Die spezielle chemische Einweichung, die zum Austauschen der Anionen erforderlich ist, kann auch bei Standard-Laborraumtemperatur durchgeführt werden und erfordert keine Präzisions-Hochtemperatur-Temperatursteuerung und Vakuumumgebung, die andere Halbleiterverarbeitung erfordert.

"Es ist ein einfacher Prozess, und es ist sehr einfach zu skalieren", sagte Yang. "Sie müssen nicht lange Stunden in einem sauberen Raum verbringen, und Sie brauchen keine hohen Temperaturen."

Wichtige Aspekte dieser Entdeckung sind, dass die Forscher behaupten, dass sie in der Lage sind, die Materialien über das gesamte sichtbare Lichtspektrum "abzustimmen", und vielleicht am wichtigsten ist, dass die Verarbeitung für diese Technologie viel einfacher ist als mit herkömmlichen kolloidalen Halbleitern. Dies könnte implizieren, dass diese weichen Halbleiter mit vergleichsweise höheren Ausbeuten mit weniger Verarbeitungsschritten hergestellt werden könnten, was zu niedrigeren Kosten und weniger Abfall führen könnte.

"Für konventionelle Halbleiter ist die Herstellung der Verbindung ziemlich kompliziert und teuer", sagte der Postdoktorand in Yangs Labor und Studie, Co-Lead-Autor Letian Dou, in dem Bericht. "Normalerweise sind hohe Temperaturen und Vakuumbedingungen beteiligt, um das Wachstum und die Dotierung der Materialien zu kontrollieren. Eine präzise Kontrolle der Materialzusammensetzung und -eigenschaften ist ebenfalls eine Herausforderung, da herkömmliche Halbleiter wegen der starken kovalenten Bindung schwierig sind. "

Obwohl das Material noch viel Entwicklung erfordert, was verbesserte Auflösung und Integration / Charakterisierung als Komponenten in elektrischen Schaltungen beinhaltet, zeigt das Material vielversprechende Eigenschaften. Diese Methode konkurriert auch gegen viele hoch publizierte, recherchierte und etablierte Technologien. Wenn das Material sogar eine vergleichbare Display-, Dioden- und Transistorleistung bietet als heutige Technologien, aber höhere Erträge und niedrigere Prozesskosten bietet, können weiche Halbleiter mit Halogenid-Perowskit-Heteroverbindungen Einzug in zukünftige Smartphones, Smartwatches, Augmented Reality und Virtual Reality Display halten Technologie zusammen mit vielen anderen Beleuchtungs- und elektronischen Anwendungen.