28. september 2023 (Nanowerk Nyheter) Halvledere er hjertet i nesten alle elektroniske enheter. Uten halvledere ville ikke datamaskinene våre være i stand til å behandle og beholde data; og LED (lysemitterende diode) lyspærer ville miste evnen til å skinne.
Men halvlederproduksjon krever mye energi. Å danne halvledermaterialer fra sand (silisiumoksid) bruker en betydelig mengde varmekrevende energi, ved brennende temperaturer på rundt 2,700 grader Fahrenheit. Og prosessen med å rense og sette sammen alle råvarene som brukes til å lage en halvleder kan ta uker om ikke måneder.
Et nytt halvledende materiale kalt "multielement ink" kan gjøre denne prosessen betydelig mindre varmekrevende og mer bærekraftig. Utviklet av forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley, "multielement ink" er den første "høyentropi" halvlederen som kan behandles ved lav temperatur eller romtemperatur. Gjennombruddet ble nylig rapportert i tidsskriftet Natur ("Høyentropi halogenid perovskitt enkeltkrystaller stabilisert av mild kjemi").
Bilde av silisiumskiver. Berkeley Lab-forskere har utviklet "multielement ink" - et nytt halvledende materiale som kan muliggjøre en mer bærekraftig tilnærming til produksjon av mikroelektronikk. I motsetning til silisium, kan multielement blekk behandles ved romtemperatur. (Bilde: kynny/iStock)
"Den tradisjonelle måten å lage halvlederenheter på er energikrevende og en av de viktigste kildene til karbonutslipp," sa Peidong Yang, seniorforfatter på studien. Yang er seniorforsker på fakultetet i Berkeley Labs materialvitenskapsavdeling og professor i kjemi og materialvitenskap og ingeniørvitenskap ved UC Berkeley. "Vår nye metode for å lage halvledere kan bane vei for en mer bærekraftig halvlederindustri."
Fremskrittet drar fordel av to unike familier av halvledende materialer: harde legeringer laget av høyentropi halvledere; og et mykt, fleksibelt materiale laget av krystallinsk halogenid perovskitter.
Materialer med høy entropi er faste stoffer laget av fem eller flere forskjellige kjemiske elementer som samles selv i nesten like proporsjoner til et enkelt system. Forskerne har i mange år ønsket å bruke materialer med høy entropi for å utvikle halvledende materialer som monteres selv med minimal energiinnsats.
"Men høyentropi-halvledere har ikke blitt studert i nesten samme grad. Vårt arbeid kan bidra til å fylle dette gapet av forståelse betydelig, sier Yuxin Jiang, medforfatter og doktorgradsstudent i Peidong Yang-gruppen med Berkeley Labs Materials Sciences Division og avdelingen for kjemi ved UC Berkeley.
Fotoluminescerende bilde av California Golden Bears-logoen utsendt fra ZrSnTeHfPt-enkeltkrystaller med fem elementer under UV-lampeeksitasjon. Krystallene ble dannet av "multielement blekk." Eksperimentet demonstrerer materialets potensial som en fargejusterbar LED-enhet. (Bilde: Maria Folgueras, Yuxin Jiang og Peidong Yang, Berkeley Lab)
Selv om konvensjonelle legeringsmaterialer med høy entropi krever langt mindre energi enn silisium for å behandle for produksjon, krever de fortsatt svært høye temperaturer på over 1000 grader Celsius (eller over 1832 grader Fahrenheit). Å skalere opp høyentropimaterialer for produksjon i industriell skala er utfordrende på grunn av denne enorme energitilførselen.
For å overvinne dette hinderet, utnyttet Yang og teamet de unike egenskapene til et godt studert solmateriale som har fascinert forskere i mange år: halogenidperovskitter.
Perovskitter kan enkelt behandles fra løsning ved lav temperatur - fra romtemperatur til rundt 300 grader Fahrenheit. Disse lavere prosesseringstemperaturene kan en dag redusere energikostnadene dramatisk for halvlederprodusenter.
For den nye studien benyttet Yang og teamet seg av dette lavere energibehovet for å syntetisere høyentropi halogenid persovskitt enkeltkrystaller fra en løsning under romtemperatur eller lav temperatur (80 grader Celsius eller 176 grader Fahrenheit).
I løsningen monteres multielement blekk selv ved lave temperaturer til høyentropi halvledere eller halogenid perovskitt enkeltkrystaller. (Bilde: Maria Folgueras, Yuxin Jiang og Peidong Yang, Berkeley Lab)
På grunn av deres ioniske bindingsnatur krever halogenidperovskittkrystallstrukturer betydelig lavere energi for å dannes sammenlignet med andre materialsystemer, forklarte Yang.
Eksperimenter ved Berkeley Labs Advanced Light Source bekreftet at de resulterende oktaedriske og kuboktaedriske krystallene er høyentropi halogenid perovskitt enkeltkrystaller: ett sett laget av fem elementer (SnTeReIrPt eller ZrSnTeHfPt), og et annet sett laget av seks elementer (SnPrTe eller ZsPrTe). Krystallene er omtrent 30-100 mikrometer i diameter. (En mikrometer er en milliarddel av en meter, som er omtrent på størrelse med et støvkorn.)
Lavtemperatur/romtemperatur-teknikken produserer halvledere med en krystall innen timer etter blanding av en løsning og utfelling, langt raskere enn konvensjonelle halvlederfremstillingsteknikker.
"Intuitivt er det å lage disse halvlederne som å stable oktaedriske molekylære 'LEGO'er' i større oktaedriske enkeltkrystaller," sa Yang. "Når man ser for seg at hver av disse individuelle molekylære LEGOene vil avgi ved forskjellige bølgelengder, kan man i prinsippet designe et halvledermateriale som vil avgi en vilkårlig farge ved å velge forskjellige molekylære oktaedriske LEGOer," forklarte han. Forfatterne demonstrerte dette konseptet ved å trykke en California Golden Bears-logo.
Stabilitet ved omgivelsestemperatur har lenge vært et problem for å fremme kommersiell-klare halogenidperovskitter, men i et benchtop-eksperiment for den nye studien overrasket den høyentropiske "multielement ink"-halogenidperovskitten forskerteamet med en imponerende omgivelsesluftstabilitet på kl. minst seks måneder.
Skanneelektronmikroskopbilde av seks-element enkeltkrystaller. Krystallene er dannet av byggesteiner av "multielement blekk", den første høyentropi halvlederen som kan behandles ved lav temperatur eller romtemperatur. (Bilde: Maria Folgueras, Yuxin Jiang og Peidong Yang, Berkeley Lab)
Yang sa at multielement-blekk har en rekke potensielle bruksområder, spesielt som en fargejusterbar LED eller annen solid-state belysningsenhet, eller som termoelektrisk for gjenvinning av spillvarme. I tillegg kan materialet potensielt tjene som en programmerbar komponent i en optisk dataenhet som bruker lys til å overføre eller lagre data.
"Våre høyentropi-halogenid-perovskitt-halvlederkrystaller, med deres romtemperatur- og lavtemperaturmetoder, kan inkorporeres i en elektronisk enhet uten å ødelegge de andre nødvendige lagene, og dermed muliggjøre enklere design av elektroniske enheter og for mer utbredt bruk av materialer med høy entropi i elektroniske enheter,” sa den første forfatteren Maria Folgueras, en tidligere stipendiat i Peidong Yang-gruppen ved Berkeley Lab og UC Berkeley.
"Man kan forestille seg at hver av disse oktaedriske LEGOene kan bære en eller annen type "genetisk" informasjon, akkurat som DNA-basepar bærer vår genetiske informasjon," sa Yang. "Det ville vært ganske fascinerende om vi en dag kunne kode og dekode disse molekylære LEGO-halvlederne for informasjonsvitenskapelige applikasjoner."
Forskerne planlegger deretter å fortsette å designe bærekraftige halvledermaterialer for solid-state belysning og skjermapplikasjoner.
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63736.php
- : har
- :er
- :ikke
- $OPP
- 10
- 28
- 300
- 7
- 700
- 8
- 80
- 9
- a
- evne
- I stand
- Om oss
- akselerer
- tillegg
- avansere
- avansert
- Advancing
- Fordel
- Alle
- tillate
- Alloy
- nesten
- Selv
- Omgivende
- beløp
- an
- og
- En annen
- søknader
- tilnærming
- ca
- ER
- rundt
- AS
- At
- forfatter
- forfattere
- basen
- BE
- Bears
- fordi
- vært
- Berkeley
- Blocks
- gjennombrudd
- Bygning
- men
- by
- california
- som heter
- CAN
- karbon
- karbonutslipp
- bære
- Celsius
- sentrum
- utfordrende
- kjemisk
- kjemi
- kode
- farge
- sammenlignet
- komponent
- datamaskiner
- databehandling
- konsept
- forhold
- BEKREFTET
- fortsette
- konvensjonell
- Kostnader
- kunne
- Krystall
- dato
- Dato
- dag
- Etterspørsel
- demonstrert
- demonstrerer
- Avdeling
- utforming
- utforme
- utvikle
- utviklet
- enhet
- Enheter
- forskjellig
- Vise
- Divisjon
- dna
- dramatisk
- Støv
- hver enkelt
- enklere
- lett
- elektronisk
- elementer
- Utslipp
- muliggjøre
- energi
- Ingeniørarbeid
- enorm
- Hver
- eksperiment
- eksperimenter
- forklarte
- grad
- familier
- langt
- fascinerende
- raskere
- kar
- fyll
- Først
- fem
- fleksibel
- Til
- skjema
- dannet
- Tidligere
- fra
- mellomrom
- Go
- Gyllen
- oppgradere
- Gruppe
- Hard
- Ha
- he
- Hjerte
- hjelpe
- Høy
- TIMER
- HTTPS
- if
- bilde
- forestille
- imponerende
- in
- Incorporated
- individuelt
- industri
- informasjon
- inngang
- innganger
- inn
- ionic
- journal
- jpg
- bare
- lab
- laboratorium
- større
- lawrence
- lag
- minst
- Led
- mindre
- utnyttet
- lett
- Belysning
- i likhet med
- logo
- Lang
- taper
- Lot
- Lav
- lavere
- laget
- større
- gjøre
- Making
- Produsenter
- produksjon
- mange
- Mary
- materiale
- materialer
- metode
- metoder
- Mikroskop
- Middle
- mild
- minimal
- Blanding
- molekyl~~POS=TRUNC
- måneder
- mer
- nasjonal
- Natur
- nesten
- nødvendig
- Ny
- neste
- Antall
- of
- on
- ONE
- or
- Annen
- vår
- enn
- Overcome
- par
- spesielt
- vraket
- PHP
- fly
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatonData
- potensiell
- potensielt
- prinsipp
- utskrift
- Problem
- prosess
- behandlet
- prosessering
- produserer
- Professor
- programmerbar
- kvaliteter
- Raw
- nylig
- utvinning
- redusere
- rapportert
- krever
- behov
- Krever
- forskning
- forsker
- forskere
- resulterende
- beholde
- rom
- Sa
- samme
- SAND
- skalering
- skanning
- Vitenskap
- VITENSKAPER
- Forsker
- forskere
- velge
- halvledere
- Halvledere
- senior
- betjene
- sett
- skinne
- signifikant
- betydelig
- Silicon
- enkelt
- SIX
- Seks måneder
- Størrelse
- Soft
- solenergi
- løsning
- noen
- kilde
- Kilder
- Stabilitet
- stabling
- Still
- oppbevare
- strukturer
- Student
- studert
- Studer
- overrasket
- bærekraftig
- system
- Systemer
- Ta
- tar
- lag
- teknikker
- enn
- Det
- De
- deres
- deretter
- Disse
- de
- denne
- Dermed
- til
- tok
- tradisjonelle
- overføre
- to
- typen
- etter
- forståelse
- unik
- I motsetning til
- bruke
- bruker
- veldig
- ønsket
- var
- Avfall
- spillvarmegjenvinning
- bølgelengder
- Vei..
- we
- uker
- var
- hvilken
- utbredt
- vil
- med
- innenfor
- uten
- Arbeid
- ville
- år
- zephyrnet