Полупроводники являются сердцем практически каждого электронного устройства. Без полупроводников наши компьютеры не смогли бы обрабатывать и сохранять данные, а светодиодные лампочки потеряли бы свою способность светить.
Но производство полупроводников требует много энергии. Формирование полупроводниковых материалов из песка (оксида кремния) потребляет значительное количество теплоемкой энергии при обжигающих температурах около 2700 градусов по Фаренгейту. А процесс очистки и сборки всего сырья, которое идет на изготовление полупроводника, может занять недели, если не месяцы.
Новый полупроводниковый материал под названием “многоэлементные чернила” мог бы сделать этот процесс значительно менее теплоемким и более устойчивым. Разработанные исследователями из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли, “многоэлементные чернила” являются первым “высокоэнтропийным” полупроводником, который можно обрабатывать при низкой или комнатной температуре. Недавно об этом прорыве было сообщено в журнале Nature.
“Традиционный способ изготовления полупроводниковых устройств является энергоемким и одним из основных источников выбросов углекислого газа”, – сказал Пейдон Ян, старший автор исследования. Янг – старший научный сотрудник отдела материаловедения лаборатории Беркли и профессор химии, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. “Наш новый метод производства полупроводников может проложить путь к более устойчивой полупроводниковой промышленности”.
Изобретение использует преимущества двух уникальных семейств полупроводниковых материалов: твердых сплавов, изготовленных из высокоэнтропийных полупроводников; и мягкого, гибкого материала, изготовленного из кристаллических галогенидных перовскитов.
Высокоэнтропийные материалы – это твердые вещества, состоящие из пяти или более различных химических элементов, которые самосборяются в почти равных пропорциях в единую систему. В течение многих лет исследователи хотели использовать материалы с высокой энтропией для разработки полупроводниковых материалов, которые самоорганизуются с минимальными затратами энергии.
“Но полупроводники с высокой энтропией изучены далеко не в такой степени. Наша работа могла бы помочь значительно восполнить этот пробел в понимании”, – сказал Юйсинь Цзян, соавтор и аспирант-исследователь в группе Peidong Yang из отдела материаловедения Лаборатории Беркли и химического факультета Калифорнийского университета в Беркли.
Изображение шестиэлементных монокристаллов под сканирующим электронным микроскопом. Кристаллы сформированы из строительных блоков “многоэлементных чернил”, первого высокоэнтропийного полупроводника, который можно обрабатывать при низкой или комнатной температуре. Автор: Мария Фольгерас и Пейдон Янг/Лаборатория Беркли/Nature.
Хотя для обработки обычных материалов из высокоэнтропийных сплавов требуется гораздо меньше энергии, чем для производства кремния, они по-прежнему требуют очень высоких температур – более 1000 градусов по Цельсию (или более 1832 градусов по Фаренгейту). Масштабирование использования высокоэнтропийных материалов для промышленного производства является сложной задачей из-за огромных энергозатрат.
Чтобы преодолеть это препятствие, Янг и его команда затем использовали уникальные качества хорошо изученного солнечного материала, который интриговал исследователей на протяжении многих лет: галогенидных перовскитов.
Перовскиты легко обрабатываются из раствора при низкой температуре — от комнатной температуры примерно до 300 градусов по Фаренгейту. Эти более низкие температуры обработки могут в один прекрасный день значительно снизить энергозатраты производителей полупроводников.
Для нового исследования Янг и его команда воспользовались этой более низкой потребностью в энергии, чтобы синтезировать высокоэнтропийные монокристаллы галогенида персовскита из раствора при комнатной температуре или низкотемпературных условиях (80 градусов по Цельсию или 176 градусов по Фаренгейту).
Из-за своей природы ионных связей кристаллические структуры галогенидного перовскита требуют значительно меньшей энергии для формирования по сравнению с другими материальными системами, объяснил Ян.
Эксперименты с усовершенствованным источником света в лаборатории Беркли подтвердили, что полученные октаэдрические и кубооктаэдрические кристаллы являются высокоэнтропийными монокристаллами галогенидного перовскита: один набор состоит из пяти элементов (SnTeReIrPt или ZrSnTeHfPt), а другой набор состоит из шести элементов (SnTeReOsIrPt или ZrSnTeHfRePt). Кристаллы имеют приблизительно 30-100 микрометров в диаметре. (Микрометр – это одна миллиардная часть метра, что примерно равно размеру пылинки.)
Низкотемпературный / комнатный метод позволяет получать монокристаллические полупроводники в течение нескольких часов после смешивания раствора и осаждения, что намного быстрее, чем при обычных методах изготовления полупроводников.
Фотолюминесцентное изображение логотипа California Golden Bears, излучаемое пятиэлементными монокристаллами ZrSnTeHfPt при возбуждении ультрафиолетовой лампой. Кристаллы были сформированы из “многоэлементных чернил”. Эксперимент демонстрирует потенциал материала в качестве светодиодного устройства с возможностью настройки цвета. Фото: Мария Фольгерас и Пейдон Янг/ Лаборатория Беркли
“Интуитивно создание этих полупроводников похоже на укладку молекулярных “Лего” октаэдрической формы в более крупные октаэдрические монокристаллы”, – сказал Ян. “Представив, что каждый из этих отдельных молекулярных элементов LEGO будет излучать на разных длинах волн, можно в принципе сконструировать полупроводниковый материал, который будет излучать произвольный цвет, выбрав различные молекулярные октаэдрические элементы LEGO”, – пояснил он. Авторы продемонстрировали эту концепцию, напечатав логотип California Golden Bears.
Стабильность при температуре окружающей среды долгое время была проблемой для продвижения готовых к производству галогенидных перовскитов, но в ходе лабораторного эксперимента для нового исследования высокоэнтропийный “многоэлементный чернильный” галогенидный перовскит удивил исследовательскую группу впечатляющей стабильностью в атмосферном воздухе, по крайней мере, в течение шести месяцев.
Янг сказал, что многоэлементные чернила имеют ряд потенциальных применений, в частности, в качестве настраиваемого по цвету светодиода или другого твердотельного осветительного устройства, или в качестве термоэлектрика для рекуперации отработанного тепла. Кроме того, материал потенциально может служить программируемым компонентом в оптическом вычислительном устройстве, которое использует свет для передачи или хранения данных.
“Наши высокоэнтропийные полупроводниковые кристаллы галогенид-перовскит с их методами обработки при комнатной и низкотемпературной температуре могут быть встроены в электронное устройство без разрушения других необходимых слоев, что позволяет упростить конструкцию электронных устройств и более широко использовать высокоэнтропийные материалы в электронных устройствах”, – сказал соавтор Мария Фольгерас, бывшая аспирантка группы Пейдонга Янга в лаборатории Беркли и Калифорнийском университете в Беркли.
“Можно представить, что каждый из этих восьмигранных конструкторов LEGO мог бы нести какой-то тип “генетической” информации, точно так же, как пары оснований ДНК несут нашу генетическую информацию”, – сказал Янг. “Было бы весьма интересно, если бы однажды мы смогли закодировать и расшифровать эти молекулярные полупроводники LEGO для применения в информатике”.
В дальнейшем исследователи планируют продолжить разработку устойчивых полупроводниковых материалов для твердотельных систем освещения и дисплеев.