卤化物钙钛矿是一系列材料，因其卓越的光电性能和在高性能太阳能电池、发光二极管和激光等设备中的潜在应用而备受关注。
这些材料已主要应用于薄膜或微米大小的设备应用中。在纳米尺度上精确集成这些材料可以打开更显著的应用，如片上光源、光电探测器和存储器。然而，实现这种集成仍然具有挑战性，因为这种精致的材料可能会被传统的制造和图案技术损坏。
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为了克服这一障碍，麻省理工学院研究人员创造了一种技术，允许单个卤化物钙钛矿纳米晶体在需要的地方现场生长，并精确控制位置，在50纳米以内。（一张纸有10万纳米厚。）纳米晶体的大小也可以通过这种技术精确控制，这很重要，因为大小会影响它们的特性。由于材料是在当地种植的，具有所需的特征，因此不需要传统的平版印刷图案步骤，这些步骤可能会造成损害。
该技术还具有可扩展性、多功能性，并与传统的制造步骤兼容，因此它可以将纳米晶体集成到功能性纳米级设备中。研究人员用它来制造纳米级发光二极管（纳米LED）阵列——电激活时发光的微小晶体。此类阵列可以应用于光通信和计算、无透镜显微镜、新型量子光源以及用于增强现实和虚拟现实的高密度、高分辨率显示器。
“正如我们的工作所表明的那样，开发将纳米材料集成到功能性纳米设备的新工程框架至关重要。通过超越纳米制造、材料工程和设备设计的传统界限，这些技术可以让我们在极端纳米尺度的维度上操纵物质，帮助我们实现对解决新兴技术需求至关重要的非常规设备平台，”电子研究实验室（EECS）的EE Landsman职业发展助理教授、电子研究实验室（RLE）成员和一篇描述这项工作的新论文的高级作者Farnaz Niroui说。
Niroui的合著者包括首席作者Patricia Jastrzebska-Perfect，EECS研究生；化学工程系研究生Weikun "Spencer" Zhu；Mayuran Saravanapavanantham，Sarah Spector，Roberto Brenes和Peter Satterthwaite，都是EECS研究生；RLE博士后Zheng Li；以及电气工程教授Rajeev Ram。该研究将发表在《自然通讯》上。
微小的晶体，巨大的挑战
使用传统的纳米级制造技术，将卤化物钙钛矿集成到片上纳米级设备中是非常困难的。在一种方法中，可以使用平版印刷工艺对脆弱的钙钛矿薄膜进行图案化，这需要可能损坏材料的溶剂。在另一种方法中，较小的晶体首先在溶液中形成，然后从溶液中挑选并放置所需的模式。
Niroui说，在这两种情况下，都缺乏控制、分辨率和集成能力，这限制了材料如何扩展到纳米设备。
相反，她和她的团队开发了一种在精确位置直接在所需表面上“生长”卤化物钙钛矿晶体的方法，然后将制造纳米设备。
他们过程的核心是定位用于纳米晶体生长的溶液。为此，他们创建了一个纳米级模板，其中包含包含晶体生长的化学过程的小井。它们修改模板的表面和井内侧，控制一种被称为“可湿性”的属性，因此含有钙钛矿材料的溶液不会聚集在模板表面，而是被限制在油井内。
她说，现在有了这些非常小和确定性的反应堆，材料可以在其中生长。他们将含有卤化物钙钛矿生长材料的溶液涂抹在模板上，随着溶剂蒸发，材料会生长并在每口井中形成微小的晶体。
一种多功能且可调的技术
研究人员发现，井的形状在控制纳米晶体定位方面发挥着关键作用。如果使用方形井，由于纳米级力的影响，晶体被放置在井的每个四个角的几率是相等的。对于一些应用来说，这可能足够好，但对于其他应用来说，纳米晶体放置需要更高的精度。
通过改变井的形状，研究人员能够以这样的方式设计这些纳米级力，使晶体优先放置在所需的位置。
当溶剂在井内蒸发时，纳米晶体会经历压力梯度，产生方向力，确切方向由井的不对称形状确定。
Niroui说，这使我们能够拥有非常高的精度，不仅在生长方面，而且在这些纳米晶体的放置方面。他们还发现他们可以控制井内形成的晶体的大小。改变水井的大小，允许内部或多或少的生长溶液产生更大或更小的晶体。
他们通过制造精确的纳米LED阵列来证明其技术的有效性。在这种方法中，每个纳米晶体都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、显微镜以及增强现实和虚拟现实应用的高分辨率显示器。
未来，研究人员希望探索这些微小光源的更多潜在应用。他们还希望测试这些设备可以有多小的极限，并努力将它们有效地纳入量子系统。除了纳米级光源外，该过程还为开发基于卤化物钙钛矿的片上纳米设备开辟了其他机会。他们的技术还为研究人员提供了一种更简单的方法来研究单个纳米晶体水平的材料，他们希望这将激励其他人对这些材料和其他独特材料进行额外的研究。
Jastrzebska-Perfect补充说，通过高通量方法研究纳米级材料通常需要精确地定位和以这种规模进行工程。通过提供这种局部控制，我们的技术可以改善研究人员为各种应用调查和调整材料特性的方式。
这项工作得到了国家科学基金会和麻省理工学院量子工程中心的部分支持。
来源：science daily
