28 septembre 2023 (Actualités Nanowerk) Les semi-conducteurs sont le cœur de presque tous les appareils électroniques. Sans semi-conducteurs, nos ordinateurs ne seraient pas capables de traiter et de conserver des données ; et les ampoules LED (diodes électroluminescentes) perdraient leur capacité à briller. Mais la fabrication de semi-conducteurs nécessite beaucoup d’énergie. La formation de matériaux semi-conducteurs à partir de sable (oxyde de silicium) consomme une quantité importante d'énergie à forte intensité thermique, à des températures torrides d'environ 2,700 XNUMX degrés Fahrenheit. Et le processus de purification et d’assemblage de toutes les matières premières entrant dans la fabrication d’un semi-conducteur peut prendre des semaines, voire des mois. Un nouveau matériau semi-conducteur appelé « encre multi-éléments » pourrait rendre ce processus beaucoup moins gourmand en chaleur et plus durable. Développée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'UC Berkeley, « l'encre multi-éléments » est le premier semi-conducteur « à haute entropie » qui peut être traité à basse température ou à température ambiante. La percée a été récemment rapportée dans la revue Nature (« Monocristaux de pérovskite aux halogénures à haute entropie stabilisés par une chimie douce »).
Image de tranches de silicium. Les scientifiques du Berkeley Lab ont développé une « encre multi-éléments » – un nouveau matériau semi-conducteur qui pourrait permettre une approche plus durable de la fabrication microélectronique. Contrairement au silicium, l’encre multiéléments peut être traitée à température ambiante. (Image : kynny/iStock) « La manière traditionnelle de fabriquer des dispositifs à semi-conducteurs est gourmande en énergie et constitue l'une des principales sources d'émissions de carbone », a déclaré Peidong Yang, l'auteur principal de l'étude. Yang est chercheur principal à la division des sciences des matériaux du laboratoire de Berkeley et professeur de chimie, de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley. "Notre nouvelle méthode de fabrication de semi-conducteurs pourrait ouvrir la voie à une industrie des semi-conducteurs plus durable." Cette avancée tire parti de deux familles uniques de matériaux semi-conducteurs : les alliages durs constitués de semi-conducteurs à haute entropie ; et un matériau souple et flexible composé d'halogénure cristallin pérovskites. Les matériaux à haute entropie sont des solides constitués de cinq éléments chimiques différents ou plus qui s'auto-assemblent dans des proportions presque égales en un seul système. Depuis de nombreuses années, les chercheurs souhaitent utiliser des matériaux à haute entropie pour développer des matériaux semi-conducteurs qui s'auto-assemblent avec un apport d'énergie minimal. « Mais les semi-conducteurs à haute entropie n’ont pas été étudiés dans la même mesure. Notre travail pourrait aider à combler de manière significative cette lacune de compréhension », a déclaré Yuxin Jiang, co-premier auteur et étudiant chercheur diplômé du groupe Peidong Yang de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et du département de chimie de l'UC Berkeley.
Image photoluminescente du logo des Golden Bears de Californie émise par des monocristaux ZrSnTeHfPt à cinq éléments sous excitation d'une lampe UV. Les cristaux ont été formés à partir d’une « encre multi-éléments ». L'expérience démontre le potentiel du matériau en tant que dispositif LED à couleurs réglables. (Image : Maria Folgueras, Yuxin Jiang et Peidong Yang, Berkeley Lab) Bien que les matériaux conventionnels en alliage à haute entropie nécessitent beaucoup moins d'énergie que le silicium pour être transformés en vue de la fabrication, ils exigent toujours des températures très élevées de plus de 1000 1832 degrés Celsius (ou plus de 300 80 degrés Celsius). Fahrenheit). La mise à l’échelle de matériaux à haute entropie pour une fabrication à l’échelle industrielle est un défi en raison de cet énorme apport d’énergie. Pour surmonter cet obstacle, Yang et son équipe ont ensuite exploité les qualités uniques d'un matériau solaire bien étudié qui intriguait les chercheurs depuis de nombreuses années : les pérovskites aux halogénures. Les pérovskites sont facilement traitées à partir d’une solution à basse température – de la température ambiante à environ 176 degrés Fahrenheit. Ces températures de traitement plus basses pourraient un jour réduire considérablement les coûts énergétiques des fabricants de semi-conducteurs. Pour la nouvelle étude, Yang et son équipe ont profité de ce besoin énergétique inférieur pour synthétiser des monocristaux de persovskite d'halogénure à haute entropie à partir d'une solution à température ambiante ou à basse température (XNUMX degrés Celsius ou XNUMX degrés Fahrenheit).
En solution, l’encre multiéléments s’auto-assemble à basse température en semi-conducteurs à haute entropie ou en monocristaux de pérovskite aux halogénures. (Image : Maria Folgueras, Yuxin Jiang et Peidong Yang, Berkeley Lab) En raison de leur nature de liaison ionique, les structures cristallines halogénures de pérovskite nécessitent pour se former une énergie nettement inférieure à celle d'autres systèmes matériels, a expliqué Yang. Des expériences menées à l'Advanced Light Source du Berkeley Lab ont confirmé que les cristaux octaédriques et cuboctaédriques résultants sont des monocristaux de pérovskite aux halogénures à haute entropie : un ensemble composé de cinq éléments (SnTeReIrPt ou ZrSnTeHfPt) et un autre ensemble composé de six éléments (SnTeReOsIrPt ou ZrSnTeHfRePt). Les cristaux mesurent environ 30 à 100 micromètres de diamètre. (Un micromètre équivaut à un milliardième de mètre, ce qui équivaut à peu près à la taille d'un grain de poussière.) La technique à basse température/température ambiante produit des semi-conducteurs monocristallins quelques heures après avoir mélangé une solution et précipité, bien plus rapidement que les semi-conducteurs conventionnels. techniques de fabrication. "Intuitivement, fabriquer ces semi-conducteurs revient à empiler des "LEGO" moléculaires de forme octaédrique dans des monocristaux octaédriques plus grands", a déclaré Yang. "En imaginant que chacun de ces LEGO moléculaires individuels émettra à des longueurs d'onde différentes, on peut en principe concevoir un matériau semi-conducteur qui émettrait une couleur arbitraire en sélectionnant différents LEGO moléculaires octaédriques", a-t-il expliqué. Les auteurs ont démontré ce concept en imprimant un logo des California Golden Bears. La stabilité à température ambiante a longtemps été un problème pour les pérovskites aux halogénures prêtes à être commercialisées, mais dans une expérience sur table pour la nouvelle étude, la pérovskite aux halogénures à « encre multi-éléments » à haute entropie a surpris l'équipe de recherche avec une stabilité impressionnante dans l'air ambiant d'au au moins six mois.
Image au microscope électronique à balayage de monocristaux à six éléments. Les cristaux sont formés à partir d’éléments constitutifs de « l’encre multi-éléments », le premier semi-conducteur à haute entropie pouvant être traité à basse température ou à température ambiante. (Image : Maria Folgueras, Yuxin Jiang et Peidong Yang, Berkeley Lab) Yang a déclaré que l'encre multi-éléments avait un certain nombre d'applications potentielles, notamment en tant que LED à couleur réglable ou autre dispositif d'éclairage à semi-conducteurs, ou comme thermoélectrique pour les déchets. récupération de la chaleur. De plus, le matériau pourrait potentiellement servir de composant programmable dans un dispositif informatique optique utilisant la lumière pour transférer ou stocker des données. "Nos cristaux semi-conducteurs halogénures-pérovskites à haute entropie, avec leurs méthodes à température ambiante et à basse température, peuvent être incorporés dans un dispositif électronique sans détruire les autres couches nécessaires, permettant ainsi une conception plus facile de dispositifs électroniques et une utilisation plus répandue de matériaux à haute entropie dans les appareils électroniques », a déclaré la co-auteure Maria Folgueras, ancienne étudiante diplômée du groupe Peidong Yang du Berkeley Lab et de l'UC Berkeley. "On peut imaginer que chacun de ces LEGO octaédriques pourrait transporter un certain type d'information" génétique ", tout comme les paires de bases d'ADN transportent notre information génétique", a déclaré Yang. "Ce serait assez fascinant si un jour nous pouvions coder et décoder ces semi-conducteurs moléculaires LEGO pour des applications en sciences de l'information." Les chercheurs prévoient ensuite de continuer à concevoir des matériaux semi-conducteurs durables pour les applications d’éclairage et d’affichage à semi-conducteurs.
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