28년 2023월 XNUMX일 (나노 워크 뉴스) 반도체는 거의 모든 전자 장치의 핵심입니다. 반도체가 없으면 컴퓨터는 데이터를 처리하고 유지할 수 없습니다. LED(발광 다이오드) 전구는 빛을 발하는 능력을 잃게 됩니다. 하지만 반도체 제조에는 많은 에너지가 필요합니다. 모래(산화규소)로 반도체 재료를 형성하려면 화씨 약 2,700도에 달하는 뜨거운 온도에서 상당한 양의 열 집약적 에너지가 소비됩니다. 그리고 반도체를 만드는 데 사용되는 모든 원자재를 정제하고 조립하는 과정은 몇 달은 아니더라도 몇 주가 걸릴 수 있습니다. "다원소 잉크"라고 불리는 새로운 반도체 소재는 이 공정을 훨씬 덜 열 집약적이고 지속 가능하게 만들 수 있습니다. 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)와 UC Berkeley 연구진이 개발한 '다원소 잉크'는 저온 또는 실온에서 처리할 수 있는 최초의 '고엔트로피' 반도체입니다. 이 획기적인 사건은 최근 저널에 보고되었습니다. 자연 (“순한 화학으로 안정화된 고엔트로피 할로겐화물 페로브스카이트 단결정”).
실리콘 웨이퍼의 이미지. 버클리 연구소 과학자들은 마이크로 전자공학 제조에 대한 보다 지속 가능한 접근 방식을 가능하게 할 수 있는 새로운 반도체 소재인 "다원소 잉크"를 개발했습니다. 실리콘과 달리 다원소 잉크는 실온에서 처리할 수 있습니다. (이미지: kynny/iStock) “반도체 장치를 만드는 전통적인 방법은 에너지 집약적이며 탄소 배출의 주요 원인 중 하나입니다.”라고 이번 연구의 수석 저자인 Peidong Yang이 말했습니다. Yang은 Berkeley Lab 재료 과학 부문의 수석 과학자이자 UC Berkeley의 화학, 재료 과학 및 공학 교수입니다. “반도체를 만드는 우리의 새로운 방법은 보다 지속 가능한 반도체 산업을 위한 길을 열 수 있습니다.” 이러한 발전은 두 가지 고유한 반도체 재료 계열, 즉 고엔트로피 반도체로 만들어진 경질 합금; 결정성 할로겐화물로 만들어진 부드럽고 유연한 소재 페 로브 스카이 트. 고엔트로피 물질은 거의 동일한 비율로 단일 시스템으로 자가 조립되는 XNUMX개 이상의 서로 다른 화학 원소로 만들어진 고체입니다. 수년 동안 연구자들은 최소한의 에너지 투입으로 자가 조립되는 반도체 재료를 개발하기 위해 고엔트로피 재료를 사용하기를 원했습니다. “그러나 고엔트로피 반도체는 거의 같은 정도로 연구되지 않았습니다. 우리의 연구는 이러한 이해의 격차를 메우는 데 크게 도움이 될 수 있습니다.”라고 Berkeley Lab 재료과학부 및 UC Berkeley 화학과 Peidong Yang 그룹의 공동 제XNUMX저자이자 대학원생 연구원인 Yuxin Jiang이 말했습니다.
UV 램프 여기 하에서 1000원소 ZrSnTeHfPt 단결정에서 방출되는 캘리포니아 황금곰 로고의 광발광 이미지. 결정은 "다원소 잉크"로 형성되었습니다. 실험은 색상 조정이 가능한 LED 장치로서 재료의 잠재력을 보여줍니다. (이미지: Maria Folgueras, Yuxin Jiang, Peidong Yang, Berkeley Lab) 기존의 고엔트로피 합금 소재는 제조 공정에 실리콘보다 훨씬 적은 에너지가 필요하지만 여전히 섭씨 1832도(또는 300도 이상의 매우 높은 온도)가 필요합니다. 화씨). 산업 규모의 제조를 위해 고엔트로피 재료를 확장하는 것은 엄청난 에너지 투입으로 인해 어려운 일입니다. 이러한 장애물을 극복하기 위해 Yang과 팀은 수년 동안 연구자들의 흥미를 끌었던 잘 연구된 태양 물질의 독특한 특성인 할로겐화 페로브스카이트를 활용했습니다. 페로브스카이트는 실온에서 화씨 약 80도까지 저온에서 용액으로 쉽게 처리됩니다. 이러한 낮은 처리 온도는 언젠가 반도체 제조업체의 에너지 비용을 극적으로 줄일 수 있습니다. 새로운 연구를 위해 Yang과 팀은 실온 또는 저온(섭씨 176도 또는 화씨 XNUMX도) 조건에서 용액으로부터 고엔트로피 할로겐화물 퍼소브스카이트 단결정을 합성하기 위해 이러한 낮은 에너지 요구 사항을 활용했습니다.
용액에서 다중 원소 잉크는 저온에서 고엔트로피 반도체 또는 할로겐화물 페로브스카이트 단결정으로 자가 조립됩니다. (이미지: Maria Folgueras, Yuxin Jiang 및 Peidong Yang, Berkeley Lab) 이온 결합 특성으로 인해 할로겐화 페로브스카이트 결정 구조는 다른 재료 시스템에 비해 형성하는 데 상당히 낮은 에너지가 필요하다고 Yang은 설명했습니다. Berkeley Lab의 Advanced Light Source에서의 실험에서는 생성된 팔면체 및 육팔면체 결정이 고엔트로피 할로겐화물 페로브스카이트 단결정임을 확인했습니다. 한 세트는 30개 원소(SnTeReIrPt 또는 ZrSnTeHfPt)로 구성되고 다른 세트는 100개 원소(SnTeReOsIrPt 또는 ZrSnTeHfRePt)로 구성되었습니다. 결정의 직경은 약 XNUMX~XNUMX마이크로미터입니다. (XNUMX마이크로미터는 XNUMX억분의 XNUMX미터로, 먼지 한 톨 정도의 크기입니다.) 저온상온 기술은 용액을 혼합하고 침전시킨 후 몇 시간 내에 단결정 반도체를 생산하는데, 이는 기존 반도체보다 훨씬 빠릅니다. 제조 기술. “직관적으로 이러한 반도체를 만드는 것은 팔면체 모양의 분자 'LEGO'를 더 큰 팔면체 단결정으로 쌓는 것과 같습니다."라고 Yang은 말했습니다. “이러한 개별 분자 LEGO 각각이 서로 다른 파장에서 방출한다고 상상하면 원칙적으로 서로 다른 분자 팔면체 LEGO를 선택하여 임의의 색상을 방출하는 반도체 재료를 설계할 수 있습니다.”라고 그는 설명했습니다. 저자는 California Golden Bears 로고를 인쇄하여 이 개념을 시연했습니다. 주변 온도에서의 안정성은 상업적으로 사용 가능한 할로겐화물 페로브스카이트를 발전시키는 데 오랫동안 문제가 되어 왔지만, 새로운 연구를 위한 벤치탑 실험에서 고엔트로피 "다원소 잉크" 할로겐화물 페로브스카이트는 최소 XNUMX개월.
XNUMX원소 단결정의 주사전자현미경 이미지. 결정은 저온 또는 실온에서 처리할 수 있는 최초의 고엔트로피 반도체인 "다원소 잉크"의 빌딩 블록으로 형성됩니다. (이미지: Maria Folgueras, Yuxin Jiang, Peidong Yang, Berkeley Lab) Yang은 다중 요소 잉크가 특히 색상 조정이 가능한 LED 또는 기타 고체 조명 장치 또는 폐기물용 열전 장치로서 다양한 잠재적 응용 분야를 가지고 있다고 말했습니다. 열회수. 또한, 이 물질은 빛을 사용하여 데이터를 전송하거나 저장하는 광학 컴퓨팅 장치에서 프로그래밍 가능한 구성 요소 역할을 할 수도 있습니다. “우리의 고엔트로피 할라이드-페로브스카이트 반도체 결정은 상온 및 저온 방법을 통해 다른 필요한 층을 파괴하지 않고 전자 장치에 통합될 수 있으므로 전자 장치를 보다 쉽게 설계하고 보다 널리 사용할 수 있습니다. 전자 장치의 고엔트로피 재료”라고 버클리 연구소와 UC 버클리 Peidong Yang 그룹의 대학원생이자 공동 제XNUMX저자인 Maria Folgueras가 말했습니다. Yang은 “DNA 염기쌍이 우리의 유전 정보를 전달하는 것처럼 이러한 팔면체 LEGO 각각이 일종의 '유전' 정보를 전달할 수 있다고 상상할 수 있습니다."라고 말했습니다. "언젠가 정보 과학 응용 분야를 위해 이러한 분자 LEGO 반도체를 코딩하고 디코딩할 수 있다면 매우 흥미로울 것입니다." 연구원들은 다음으로 고체 조명 및 디스플레이 응용 분야를 위한 지속 가능한 반도체 재료를 계속 설계할 계획입니다.
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- 출처: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63736.php
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