導(dǎo)讀
一種新型半導(dǎo)體有望應(yīng)用于我們身邊的高清顯示器。最近，美國(guó)能源部所屬勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們展示了一種半導(dǎo)體，稱為“金屬鹵化物鈣鈦礦”，它能從單根納米線發(fā)出多種鮮艷的顏色，分辨率小到500納米。
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量子點(diǎn)、柔性半導(dǎo)體、納米、光電
背景
前不久，筆者在《基于石墨烯和量子點(diǎn)的圖像傳感器：應(yīng)用前景廣闊！》一文中為大家介紹過(guò)量子點(diǎn)技術(shù)，或許許多朋友還有印象。
量子點(diǎn)是指一系列極小的半導(dǎo)體粒子，三個(gè)維度的尺寸都在100納米以下。由于尺寸極小，其內(nèi)部電子在不同方向上的運(yùn)動(dòng)都會(huì)受限，所以其光學(xué)和電子屬性不同于大型粒子，能具有量子限域效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)、介電限域效應(yīng)等特殊物理效應(yīng)。
最重要的一點(diǎn)就是，半導(dǎo)體粒子處于納米級(jí)的尺寸，不同尺寸的量子點(diǎn)會(huì)發(fā)射出不同頻率的光，在可見(jiàn)光頻譜范圍內(nèi)，最明顯的就是顏色的變化。
（圖片來(lái)源于：維基百科）
因?yàn)榱孔狱c(diǎn)只用一種材料，就可發(fā)出各種波長(zhǎng)的光，所以有科學(xué)家甚至認(rèn)為，“量子點(diǎn)有可能是人類有史以來(lái)發(fā)現(xiàn)的最優(yōu)秀的發(fā)光材料”。此外，量子點(diǎn)發(fā)光材料的色彩純度非常高?，F(xiàn)在，各大廠商例如三星、TCL等等，都紛紛將自己的量子點(diǎn)顯示器產(chǎn)品推向市場(chǎng)。
雖然量子點(diǎn)顯示技術(shù)是一種新興技術(shù)，但是它仍主要依賴于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體納米晶體發(fā)出光線。然而是否會(huì)出現(xiàn)更新的技術(shù)，對(duì)于現(xiàn)有的量子點(diǎn)顯示技術(shù)構(gòu)成挑戰(zhàn)呢？
創(chuàng)新
上述問(wèn)題的答案很明顯是肯定的。現(xiàn)在一種新型半導(dǎo)體有望應(yīng)用于我們周圍的高清顯示器。最近，美國(guó)能源部所屬勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Berkeley Lab）的科學(xué)家們展示了一種半導(dǎo)體，稱為“金屬鹵化物鈣鈦礦”（halide perovskites），它能從單根納米線發(fā)出多種鮮艷的色彩，分辨率小到500納米。
圖片上半部分顯示出在紫外光的激發(fā)下CsPbBr3、CsPbCl3異質(zhì)結(jié)分別同時(shí)發(fā)出綠色和藍(lán)色的光線。下半部分顯示CsPbI3、CsPbBr3、CsPbCl3分別放出紅色、綠色、藍(lán)色光線。
(Credit: Letian Dou/Berkeley Lab 和 Connor G. Bischak/UC Berkeley)
這項(xiàng)研究成果發(fā)表于這周的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》。
技術(shù)
研究人員使用電子束蝕刻技術(shù)制備出金屬鹵化物鈣鈦礦納米線異質(zhì)結(jié)，它是兩種不同的半導(dǎo)體相接觸所形成的界面區(qū)域。在器件應(yīng)用中，異質(zhì)結(jié)決定了能級(jí)和能帶隙特性，因此被認(rèn)為是現(xiàn)代電子和太陽(yáng)能光伏器件的關(guān)鍵組成部分。
研究人員指出：金屬鹵化物鈣鈦礦中的晶格，通過(guò)離子鍵而不是共價(jià)鍵，聚集在一起。對(duì)于離子鍵和共價(jià)鍵的區(qū)別，高中化學(xué)教科書(shū)中有過(guò)相關(guān)介紹，我們?cè)賮?lái)回顧一下：
離子鍵是由原子之間的電子轉(zhuǎn)移而形成的，即正離子和負(fù)離子之間由于靜電引力所形成的化學(xué)鍵。相反，共價(jià)鍵是原子間共同使用它們的外層電子所形成的化學(xué)鍵。
Berkeley Lab 資深科學(xué)家、這項(xiàng)研究的首席調(diào)查員 Peidong Yang 稱：
“通過(guò)無(wú)機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦，我們能在離子鍵中輕易地交換陰離子，同時(shí)保持材料的單晶體特性。因此我們能輕易地重新配置材料的結(jié)構(gòu)和組成。這也是金屬鹵化物鈣鈦礦被稱為柔性晶格半導(dǎo)體的原因。相反，共價(jià)鍵則相對(duì)強(qiáng)健，需要更多的能量來(lái)改變。我們的研究基本上證明，我們幾乎能改變這種柔性半導(dǎo)體任何部分的組成?！?/p>
在這個(gè)案例中，研究人員測(cè)試了銫鉛鹵鈣鈦礦。然后，他們使用一種普通的納米制備技術(shù)結(jié)合陰離子交換化學(xué)，交換出鹵化物離子，產(chǎn)生出CsPbI3、CsPbBr3、CsPbCl3。
每種類型的化合物都會(huì)發(fā)出不同顏色的光線。此外，研究人員展示多個(gè)異質(zhì)結(jié)可以設(shè)計(jì)在單根納米線上。它們能夠完成像素尺寸為500納米，且他們判定材料的顏色在整個(gè)可見(jiàn)光范圍內(nèi)可調(diào)。
CsPbCl3 (藍(lán)色) 和 CsPbBr3 (綠色) 交替組成的平面。
(Credit: Letian Dou/Berkeley Lab 和 Connor G. Bischak/UC Berkeley)
研究人員稱針對(duì)這種柔性離子鍵半導(dǎo)體的化學(xué)溶液處理技術(shù)，比用于制備傳統(tǒng)的膠體半導(dǎo)體的方法更加簡(jiǎn)單。Yang的實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員、論文合著者 Letian Dou 稱：
“對(duì)于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，制備這種結(jié)是相當(dāng)復(fù)雜和昂貴的。通常，要在高溫和真空條件下，進(jìn)行控制材料的生長(zhǎng)和摻雜。精確控制材料的組成和特性也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，由于強(qiáng)共價(jià)鍵的緣故，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體比較‘硬’。”
為了在柔性半導(dǎo)體材料中交換陰離子，在室溫條件下，該材料浸泡于一種特殊的化學(xué)溶液中。
價(jià)值
加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)教授 Yang 稱：
“這是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工藝，且非常易于擴(kuò)展。你無(wú)需干凈的房間，無(wú)需花費(fèi)很多時(shí)間，也無(wú)需高溫條件?！?/p>
同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)也促進(jìn)了光電器件、太陽(yáng)能光伏、納米激光和超靈敏光電探測(cè)器等新型應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。
研究人員正在持續(xù)提升這種柔性半導(dǎo)體的分辨率，也正努力將它們集成到電路中。
參考資料
【1】http://newscenter.lbl.gov/2017/06/26/halide-perovskites-soft-semiconductors-hd-displays/
【2】http://www.pnas.org/content/early/2017/06/20/1703860114.abstract
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