28. september 2023 (Nanowerk nyheder) Halvledere er hjertet i næsten enhver elektronisk enhed. Uden halvledere ville vores computere ikke være i stand til at behandle og opbevare data; og LED (light-emitting diode) pærer ville miste deres evne til at lyse. Men fremstilling af halvledere kræver meget energi. At danne halvledermaterialer fra sand (siliciumoxid) bruger en betydelig mængde varmeintensiv energi ved brændende temperaturer på omkring 2,700 grader Fahrenheit. Og processen med at rense og samle alle de råmaterialer, der indgår i fremstillingen af en halvleder, kan tage uger, hvis ikke måneder. Et nyt halvledende materiale kaldet "multielement ink" kunne gøre denne proces væsentligt mindre varmeintensiv og mere bæredygtig. Udviklet af forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley, "multielement ink" er den første "højentropi" halvleder, der kan behandles ved lav temperatur eller stuetemperatur. Gennembruddet blev for nylig rapporteret i tidsskriftet Natur ("Højentropi halogenid perovskit enkeltkrystaller stabiliseret af mild kemi").
Billede af silicium wafers. Berkeley Lab-forskere har udviklet "multielement ink" - et nyt halvledende materiale, der kunne muliggøre en mere bæredygtig tilgang til fremstilling af mikroelektronik. I modsætning til silicium kan multielement blæk behandles ved stuetemperatur. (Billede: kynny/iStock) "Den traditionelle måde at fremstille halvlederenheder på er energikrævende og en af de vigtigste kilder til kulstofemissioner," sagde Peidong Yang, seniorforfatter på undersøgelsen. Yang er seniorforsker på fakultetet i Berkeley Labs Materials Sciences Division og professor i kemi og materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved UC Berkeley. "Vores nye metode til fremstilling af halvledere kan bane vejen for en mere bæredygtig halvlederindustri." Fremskridtet udnytter to unikke familier af halvledende materialer: hårde legeringer lavet af højentropi halvledere; og et blødt, fleksibelt materiale lavet af krystallinsk halogenid perovskitter. Materialer med høj entropi er faste stoffer lavet af fem eller flere forskellige kemiske grundstoffer, der samler sig selv i næsten lige store forhold til et enkelt system. Forskere har i mange år ønsket at bruge materialer med høj entropi til at udvikle halvledende materialer, der samler sig selv med minimal energitilførsel. "Men højentropi-halvledere er ikke blevet undersøgt i nær samme grad. Vores arbejde kunne bidrage væsentligt til at udfylde det hul i forståelsen,” sagde Yuxin Jiang, medforfatter og kandidatstuderende forsker i Peidong Yang-gruppen med Berkeley Labs Materials Sciences Division og afdelingen for kemi ved UC Berkeley.
Fotoluminescerende billede af California Golden Bears-logoet udsendt fra ZrSnTeHfPt-enkeltkrystaller med fem elementer under UV-lampe-excitation. Krystallerne blev dannet af "multielement blæk." Eksperimentet demonstrerer materialets potentiale som en farvejusterbar LED-enhed. (Billede: Maria Folgueras, Yuxin Jiang og Peidong Yang, Berkeley Lab) Selvom konventionelle højentropi legeringsmaterialer kræver langt mindre energi end silicium at behandle til fremstilling, kræver de stadig meget høje temperaturer på over 1000 grader Celsius (eller over 1832 grader) Fahrenheit). Opskalering af materialer med høj entropi til fremstilling i industriel skala er udfordrende på grund af denne enorme energitilførsel. For at overvinde denne forhindring udnyttede Yang og teamet derefter de unikke kvaliteter af et velundersøgt solmateriale, som har fascineret forskere i mange år: halogenidperovskitter. Perovskites behandles let fra opløsning ved lav temperatur - fra stuetemperatur til omkring 300 grader Fahrenheit. Disse lavere behandlingstemperaturer kan en dag dramatisk reducere energiomkostningerne for halvlederproducenter. Til den nye undersøgelse udnyttede Yang og teamet dette lavere energibehov til at syntetisere højentropi-halogenid-persovskit-enkeltkrystaller fra en opløsning under stuetemperatur eller lav temperatur (80 grader Celsius eller 176 grader Fahrenheit).
I opløsning samles multielement blæk selv ved lave temperaturer til højentropi-halvledere eller halogenid-perovskit-enkeltkrystaller. (Billede: Maria Folgueras, Yuxin Jiang og Peidong Yang, Berkeley Lab) På grund af deres ioniske bindingsnatur kræver halogenidperovskitkrystalstrukturer betydeligt lavere energi for at dannes sammenlignet med andre materialesystemer, forklarede Yang. Eksperimenter ved Berkeley Labs Advanced Light Source bekræftede, at de resulterende oktaedriske og cuboctaedriske krystaller er højentropi halogenid perovskit enkeltkrystaller: et sæt lavet af fem elementer (SnTeReIrPt eller ZrSnTeHfPt) og et andet sæt lavet af seks elementer (SnPrTe eller ZsPeTe). Krystallerne er cirka 30-100 mikrometer i diameter. (Et mikrometer er en milliardtedel af en meter, hvilket er omtrent på størrelse med et støvkorn.) Lavtemperatur/rumtemperaturteknikken producerer enkeltkrystalhalvledere inden for timer efter blanding af en opløsning og udfældning, langt hurtigere end konventionel halvleder fremstillingsteknikker. "Intuitivt er det at lave disse halvledere som at stable oktaedriske molekylære 'LEGO'er' i større oktaedriske enkeltkrystaller," sagde Yang. "Hvis man forestiller sig, at hver af disse individuelle molekylære LEGO'er vil udsende ved forskellige bølgelængder, kan man i princippet designe et halvledermateriale, der ville udsende en vilkårlig farve ved at vælge forskellige molekylære oktaedriske LEGO'er," forklarede han. Forfatterne demonstrerede dette koncept ved at trykke et California Golden Bears-logo. Stabilitet ved omgivelsestemperatur har længe været et problem for fremme af kommerciel-klare halogenidperovskiter, men i et benchtop-eksperiment til det nye studie overraskede den højentropi "multielement ink"-halogenidperovskit forskerholdet med en imponerende omgivende luft-stabilitet på kl. mindst seks måneder.
Scanning elektronmikroskop billede af seks-element enkeltkrystaller. Krystallerne er dannet af byggesten af "multielement blæk", den første højentropi halvleder, der kan behandles ved lav temperatur eller stuetemperatur. (Billede: Maria Folgueras, Yuxin Jiang og Peidong Yang, Berkeley Lab) Yang sagde, at multielement blækket har en række potentielle anvendelser, især som en farvejusterbar LED eller anden solid-state belysningsenhed eller som termoelektrisk til affald varmegenvinding. Derudover kunne materialet potentielt fungere som en programmerbar komponent i en optisk computerenhed, der bruger lys til at overføre eller gemme data. "Vores højentropi halogenid-perovskit-halvlederkrystaller, med deres stuetemperatur- og lavtemperaturmetoder, kan inkorporeres i en elektronisk enhed uden at ødelægge de andre nødvendige lag, hvilket muliggør lettere design af elektroniske enheder og for mere udbredt brug af materialer med høj entropi i elektroniske enheder,” sagde den første forfatter Maria Folgueras, en tidligere kandidatstuderende i Peidong Yang-gruppen ved Berkeley Lab og UC Berkeley. "Man kan forestille sig, at hver af disse oktaedriske LEGO'er kunne bære en form for 'genetisk' information, ligesom DNA-basepar bærer vores genetiske information," sagde Yang. "Det ville være ret fascinerende, hvis vi en dag kunne kode og afkode disse molekylære LEGO-halvledere til informationsvidenskabelige applikationer." Forskerne planlægger derefter at fortsætte med at designe bæredygtige halvledermaterialer til solid-state belysning og displayapplikationer.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
- PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
- PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
- PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
- Kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63736.php
- :har
- :er
- :ikke
- $OP
- 10
- 28
- 300
- 7
- 700
- 8
- 80
- 9
- a
- evne
- I stand
- Om
- accelererende
- Desuden
- fremme
- fremskreden
- fremrykkende
- Fordel
- Alle
- tillade
- Alloy
- næsten
- Skønt
- Ambient
- beløb
- an
- ,
- En anden
- applikationer
- tilgang
- cirka
- ER
- omkring
- AS
- At
- forfatter
- forfattere
- bund
- BE
- Bears
- fordi
- været
- Berkeley
- Blocks
- gennembrud
- Bygning
- men
- by
- california
- kaldet
- CAN
- kulstof
- kulstofemissioner
- bære
- Celsius
- center
- udfordrende
- kemikalie
- kemi
- kode
- farve
- sammenlignet
- komponent
- computere
- computing
- Konceptet
- betingelser
- BEKRÆFTET
- fortsæt
- konventionelle
- Omkostninger
- kunne
- Krystal
- data
- Dato
- dag
- Efterspørgsel
- demonstreret
- demonstrerer
- Afdeling
- Design
- designe
- udvikle
- udviklet
- enhed
- Enheder
- forskellige
- Skærm
- Afdeling
- dna
- dramatisk
- Støv
- hver
- lettere
- nemt
- elektronisk
- elementer
- Emissioner
- muliggøre
- energi
- Engineering
- enorm
- Hver
- eksperiment
- eksperimenter
- forklarede
- udstrækning
- familier
- langt
- fascinerende
- hurtigere
- fyr
- udfylde
- Fornavn
- fem
- fleksibel
- Til
- formular
- dannet
- Tidligere
- fra
- kløft
- Go
- Golden
- eksamen
- gruppe
- Hård Ost
- Have
- he
- Hjerte
- hjælpe
- Høj
- HOURS
- HTTPS
- if
- billede
- billede
- imponerende
- in
- Incorporated
- individuel
- industrien
- oplysninger
- indgang
- indgange
- ind
- Ionic
- tidsskrift
- jpg
- lige
- lab
- laboratorium
- større
- lawrence
- lag
- mindst
- Led
- mindre
- gearede
- lys
- Belysning
- ligesom
- logo
- Lang
- taber
- Lot
- Lav
- lavere
- lavet
- større
- lave
- Making
- Producenter
- Produktion
- mange
- Mary
- materiale
- materialer
- metode
- metoder
- Mikroskop
- Mellemøsten
- mild
- mindste
- Blanding
- molekylær
- måned
- mere
- national
- Natur
- næsten
- nødvendig
- Ny
- næste
- nummer
- of
- on
- ONE
- or
- Andet
- vores
- i løbet af
- Overvind
- par
- især
- bane
- PHP
- fly
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatoData
- potentiale
- potentielt
- princippet
- trykning
- Problem
- behandle
- bearbejdet
- forarbejdning
- producerer
- Professor
- programmerbar
- kvaliteter
- Raw
- for nylig
- opsving
- reducere
- rapporteret
- kræver
- krav
- Kræver
- forskning
- forsker
- forskere
- resulterer
- tilbageholde
- Værelse
- Said
- samme
- SAND
- skalering
- scanning
- Videnskab
- VIDENSKABER
- Videnskabsmand
- forskere
- udvælgelse
- halvleder
- Halvledere
- senior
- tjener
- sæt
- skinne
- signifikant
- betydeligt
- Silicon
- enkelt
- SIX
- Seks måneder
- Størrelse
- Soft
- sol
- løsninger
- nogle
- Kilde
- Kilder
- Stabilitet
- stabling
- Stadig
- butik
- strukturer
- studerende
- studeret
- Studere
- overrasket
- bæredygtig
- systemet
- Systemer
- Tag
- tager
- hold
- teknikker
- end
- at
- deres
- derefter
- Disse
- de
- denne
- Dermed
- til
- tog
- traditionelle
- overførsel
- to
- typen
- under
- forståelse
- enestående
- I modsætning til
- brug
- bruger
- meget
- ønskede
- var
- Affald
- Spild varmegenvinding
- bølgelængder
- Vej..
- we
- uger
- var
- som
- udbredt
- vilje
- med
- inden for
- uden
- Arbejde
- ville
- år
- zephyrnet