28 settembre 2023 (Notizie Nanowerk) I semiconduttori sono il cuore di quasi tutti i dispositivi elettronici. Senza semiconduttori, i nostri computer non sarebbero in grado di elaborare e conservare i dati; e le lampadine a LED (diodo a emissione luminosa) perderebbero la capacità di brillare. Ma la produzione di semiconduttori richiede molta energia. La formazione di materiali semiconduttori dalla sabbia (ossido di silicio) consuma una quantità significativa di energia ad alta intensità di calore, a temperature roventi di circa 2,700 gradi Fahrenheit. E il processo di purificazione e assemblaggio di tutte le materie prime necessarie alla realizzazione di un semiconduttore può richiedere settimane se non mesi. Un nuovo materiale semiconduttore chiamato “inchiostro multielemento” potrebbe rendere questo processo significativamente meno ad alta intensità di calore e più sostenibile. Sviluppato dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell’UC Berkeley, l’“inchiostro multielemento” è il primo semiconduttore “ad alta entropia” che può essere lavorato a bassa temperatura o a temperatura ambiente. La svolta è stata recentemente riportata sulla rivista Natura (“Cristalli singoli di perovskite ad alogenuri ad alta entropia stabilizzati mediante chimica delicata”).
Immagine di wafer di silicio. Gli scienziati del Berkeley Lab hanno sviluppato un “inchiostro multielemento”, un nuovo materiale semiconduttore che potrebbe consentire un approccio più sostenibile alla produzione microelettronica. A differenza del silicio, l'inchiostro multielemento può essere lavorato a temperatura ambiente. (Immagine: kynny/iStock) "Il modo tradizionale di realizzare dispositivi a semiconduttore è ad alta intensità energetica e una delle principali fonti di emissioni di carbonio", ha affermato Peidong Yang, l'autore senior dello studio. Yang è uno scienziato senior della facoltà della Divisione di Scienze dei Materiali del Berkeley Lab e professore di chimica, scienza e ingegneria dei materiali alla UC Berkeley. “Il nostro nuovo metodo di produzione dei semiconduttori potrebbe aprire la strada a un’industria dei semiconduttori più sostenibile”. Questo progresso si avvale di due famiglie uniche di materiali semiconduttori: leghe dure costituite da semiconduttori ad alta entropia; e un materiale morbido e flessibile fatto di alogenuro cristallino perovskiti. I materiali ad alta entropia sono solidi costituiti da cinque o più elementi chimici diversi che si autoassemblano in proporzioni quasi uguali in un unico sistema. Da molti anni i ricercatori desiderano utilizzare materiali ad elevata entropia per sviluppare materiali semiconduttori in grado di autoassemblarsi con un apporto energetico minimo. “Ma i semiconduttori ad alta entropia non sono stati studiati quasi nella stessa misura. Il nostro lavoro potrebbe aiutare a colmare in modo significativo questa lacuna di comprensione”, ha affermato Yuxin Jiang, co-primo autore e ricercatore laureato nel gruppo Peidong Yang con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e il dipartimento di chimica dell’UC Berkeley.
Immagine fotoluminescente del logo dei California Golden Bears emessa da cristalli singoli di ZrSnTeHfPt a cinque elementi sotto eccitazione della lampada UV. I cristalli erano formati da “inchiostro multielemento”. L'esperimento dimostra il potenziale del materiale come dispositivo LED con regolazione del colore. (Immagine: Maria Folgueras, Yuxin Jiang e Peidong Yang, Berkeley Lab) Sebbene i materiali convenzionali in lega ad alta entropia richiedano molta meno energia del silicio per essere lavorati per la produzione, richiedono comunque temperature molto elevate di oltre 1000 gradi Celsius (o oltre 1832 gradi Fahrenheit). Aumentare i materiali ad alta entropia per la produzione su scala industriale è impegnativo a causa di questo enorme apporto di energia. Per superare questo ostacolo, Yang e il team hanno quindi sfruttato le qualità uniche di un materiale solare ben studiato che ha incuriosito i ricercatori per molti anni: le perovskiti alogenuri. Le perovskiti vengono facilmente lavorate dalla soluzione a bassa temperatura, dalla temperatura ambiente a circa 300 gradi Fahrenheit. Queste temperature di lavorazione più basse potrebbero un giorno ridurre drasticamente i costi energetici per i produttori di semiconduttori. Per il nuovo studio, Yang e il team hanno approfittato di questo minore fabbisogno energetico per sintetizzare singoli cristalli di persovskite ad alogenuro ad alta entropia da una soluzione a temperatura ambiente o in condizioni di bassa temperatura (80 gradi Celsius o 176 gradi Fahrenheit).
In soluzione, l'inchiostro multielemento si autoassembla a basse temperature in semiconduttori ad alta entropia o cristalli singoli di perovskite alogenuro. (Immagine: Maria Folgueras, Yuxin Jiang e Peidong Yang, Berkeley Lab) A causa della loro natura di legame ionico, le strutture cristalline di perovskite agli alogenuri richiedono un'energia significativamente inferiore per formarsi rispetto ad altri sistemi materiali, ha spiegato Yang. Gli esperimenti presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab hanno confermato che i cristalli ottaedrici e cubottaedrici risultanti sono cristalli singoli di perovskite ad alogenuri ad alta entropia: un set composto da cinque elementi (SnTeReIrPt o ZrSnTeHfPt) e un altro set composto da sei elementi (SnTeReOsIrPt o ZrSnTeHfRePt). I cristalli hanno un diametro di circa 30-100 micrometri. (Un micrometro è un miliardesimo di metro, ovvero le dimensioni di un granello di polvere.) La tecnica a bassa temperatura/temperatura ambiente produce semiconduttori monocristallino entro poche ore dalla miscelazione di una soluzione e dalla precipitazione, molto più velocemente dei semiconduttori convenzionali. tecniche di fabbricazione. "Intuitivamente, realizzare questi semiconduttori è come impilare i 'LEGO' molecolari a forma di ottaedro in cristalli singoli ottaedrici più grandi", ha detto Yang. "Immaginando che ciascuno di questi singoli LEGO molecolari emetta a diverse lunghezze d'onda, in linea di principio si può progettare un materiale semiconduttore che emetta un colore arbitrario selezionando diversi LEGO ottaedrici molecolari", ha spiegato. Gli autori hanno dimostrato questo concetto stampando il logo dei California Golden Bears. La stabilità a temperatura ambiente è stata a lungo un problema per lo sviluppo delle perovskiti ad alogenuri pronte per il commercio, ma in un esperimento da banco per il nuovo studio, la perovskite ad alogenuri con “inchiostro multielemento” ad alta entropia ha sorpreso il gruppo di ricerca con un’impressionante stabilità dell’aria ambiente pari a almeno sei mesi.
Immagine al microscopio elettronico a scansione di cristalli singoli a sei elementi. I cristalli sono formati da elementi costitutivi dell’“inchiostro multielemento”, il primo semiconduttore ad alta entropia che può essere lavorato a bassa temperatura o a temperatura ambiente. (Immagine: Maria Folgueras, Yuxin Jiang e Peidong Yang, Berkeley Lab) Yang ha affermato che l'inchiostro multielemento ha una serie di potenziali applicazioni, in particolare come LED con regolazione del colore o altro dispositivo di illuminazione a stato solido, o come termoelettrico per i rifiuti recupero di calore. Inoltre, il materiale potrebbe potenzialmente fungere da componente programmabile in un dispositivo di calcolo ottico che utilizza la luce per trasferire o archiviare dati. “I nostri cristalli semiconduttori di alogenuro-perovskite ad alta entropia, con i loro metodi a temperatura ambiente e a bassa temperatura, possono essere incorporati in un dispositivo elettronico senza distruggere gli altri strati necessari, consentendo così una progettazione più semplice di dispositivi elettronici e un uso più diffuso di materiali ad alta entropia nei dispositivi elettronici", ha affermato la co-prima autrice Maria Folgueras, ex studentessa laureata del gruppo Peidong Yang presso Berkeley Lab e UC Berkeley. "Si può immaginare che ciascuno di questi LEGO ottaedrici possa trasportare qualche tipo di informazione 'genetica', proprio come le coppie di basi del DNA trasportano la nostra informazione genetica", ha detto Yang. “Sarebbe piuttosto affascinante se un giorno potessimo codificare e decodificare questi semiconduttori molecolari LEGO per applicazioni nel campo della scienza dell’informazione”. I ricercatori intendono poi continuare a progettare materiali semiconduttori sostenibili per applicazioni di illuminazione e display a stato solido.
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- Fonte: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63736.php
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