28 september 2023 (Nanowerk Nyheter) Halvledare är hjärtat i nästan alla elektroniska enheter. Utan halvledare skulle våra datorer inte kunna bearbeta och behålla data; och LED (light-emitting diode) glödlampor skulle förlora sin förmåga att lysa. Men halvledartillverkning kräver mycket energi. Att bilda halvledarmaterial från sand (kiseloxid) förbrukar en betydande mängd värmeintensiv energi, vid brännande temperaturer på cirka 2,700 XNUMX grader Fahrenheit. Och processen med att rena och montera alla råvaror som ingår i tillverkningen av en halvledare kan ta veckor om inte månader. Ett nytt halvledande material som kallas "multielement ink" kan göra den processen betydligt mindre värmeintensiv och mer hållbar. Utvecklat av forskare från Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley, "multielement ink" är den första "högentropi" halvledaren som kan bearbetas vid låg temperatur eller rumstemperatur. Genombrottet rapporterades nyligen i tidskriften Natur ("Högentropi halogenid perovskit enkristaller stabiliserade av mild kemi").
Bild av kiselwafers. Berkeley Labs forskare har utvecklat "multielement ink" - ett nytt halvledande material som kan möjliggöra en mer hållbar metod för tillverkning av mikroelektronik. Till skillnad från kisel kan bläck med flera element bearbetas vid rumstemperatur. (Bild: kynny/iStock) "Det traditionella sättet att tillverka halvledarenheter är energikrävande och en av de viktigaste källorna till koldioxidutsläpp", säger Peidong Yang, senior författare till studien. Yang är seniorforskare på fakulteten vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor i kemi och materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley. "Vår nya metod att tillverka halvledare kan bana väg för en mer hållbar halvledarindustri." Framsteg drar fördel av två unika familjer av halvledande material: hårda legeringar gjorda av högentropi halvledare; och ett mjukt, flexibelt material tillverkat av kristallin halogenid perovskiter. Material med hög entropi är fasta ämnen gjorda av fem eller flera olika kemiska element som självmonteras i nästan lika proportioner till ett enda system. I många år har forskare velat använda högentropimaterial för att utveckla halvledande material som självmonteras med minimal energitillförsel. "Men högentropiska halvledare har inte studerats i nästan samma utsträckning. Vårt arbete skulle kunna bidra till att avsevärt fylla det gapet av förståelse”, säger Yuxin Jiang, medförfattare och doktorandforskare i Peidong Yang-gruppen med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och avdelningen för kemi vid UC Berkeley.
Fotoluminescerande bild av California Golden Bears-logotypen utsänd från ZrSnTeHfPt-enkristaller med fem element under UV-lampexcitation. Kristallerna bildades av "multielement bläck." Experimentet visar materialets potential som en färgjusterbar LED-enhet. (Bild: Maria Folgueras, Yuxin Jiang och Peidong Yang, Berkeley Lab) Även om konventionella högentropilegeringsmaterial kräver mycket mindre energi än kisel för att bearbeta för tillverkning, kräver de fortfarande mycket höga temperaturer på över 1000 grader Celsius (eller över 1832 grader) Fahrenheit). Att skala upp material med hög entropi för tillverkning i industriell skala är utmanande på grund av denna enorma energiinsats. För att övervinna detta hinder utnyttjade Yang och team sedan de unika egenskaperna hos ett välstuderat solmaterial som har fascinerat forskare i många år: halogenidperovskiter. Perovskiter bearbetas lätt från lösning vid låg temperatur - från rumstemperatur till cirka 300 grader Fahrenheit. Dessa lägre bearbetningstemperaturer kan en dag dramatiskt minska energikostnaderna för halvledartillverkare. För den nya studien utnyttjade Yang och teamet detta lägre energibehov för att syntetisera högentropihalogenidpersovskit-enkristaller från en lösning under rumstemperatur eller lågtemperatur (80 grader Celsius eller 176 grader Fahrenheit).
I lösning, sammansätts multielementbläck själv vid låga temperaturer till högentropiska halvledare eller halidperovskit-enkristaller. (Bild: Maria Folgueras, Yuxin Jiang och Peidong Yang, Berkeley Lab) På grund av deras jonbindande natur kräver halidperovskitkristallstrukturer betydligt lägre energi för att bildas jämfört med andra materialsystem, förklarade Yang. Experiment vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla bekräftade att de resulterande oktaedriska och kuboktaedriska kristallerna är högentropi halid perovskit enkelkristaller: en uppsättning gjord av fem element (SnTeReIrPt eller ZrSnTeHfPt), och en annan uppsättning gjord av sex element (SnPrTe eller ZsPrTe). Kristallerna är cirka 30-100 mikrometer i diameter. (En mikrometer är en miljarddels meter, vilket är ungefär lika stort som en dammfläck.) Lågtemperatur-/rumstemperaturtekniken producerar enkristallhalvledare inom timmar efter att en lösning blandats och utfällts, mycket snabbare än konventionella halvledare tillverkningstekniker. "Intuitivt är att tillverka dessa halvledare som att stapla oktaedriska molekylära 'LEGOs' till större oktaedriska enkristaller," sa Yang. "Om man föreställer sig att var och en av dessa individuella molekylära LEGO kommer att avge vid olika våglängder, kan man i princip designa ett halvledarmaterial som skulle avge en godtycklig färg genom att välja olika molekylära oktaedriska LEGO," förklarade han. Författarna demonstrerade detta koncept genom att trycka en California Golden Bears-logotyp. Stabilitet vid omgivningstemperatur har länge varit ett problem för att avancera kommersiellt färdiga halogenidperovskiter, men i ett bänkexperiment för den nya studien överraskade den högentropiska "multielement ink" halogenidperovskiten forskargruppen med en imponerande omgivande luftstabilitet på kl. minst sex månader.
Svepelektronmikroskopbild av enkristaller med sex element. Kristallerna är bildade av byggstenar av "multielement bläck", den första högentropiska halvledaren som kan bearbetas vid låg temperatur eller rumstemperatur. (Bild: Maria Folgueras, Yuxin Jiang och Peidong Yang, Berkeley Lab) Yang sa att bläcket med flera element har ett antal potentiella applikationer, särskilt som en färgjusterbar LED eller annan solid-state belysningsenhet, eller som en termoelektrisk för avfall värmeåtervinning. Dessutom kan materialet potentiellt fungera som en programmerbar komponent i en optisk datorenhet som använder ljus för att överföra eller lagra data. "Våra högentropi-halid-perovskit-halvledarkristaller, med sina rumstemperatur- och lågtemperaturmetoder, kan integreras i en elektronisk enhet utan att förstöra de andra nödvändiga lagren, vilket möjliggör en enklare design av elektroniska enheter och för mer utbredd användning av material med hög entropi i elektroniska enheter”, sa den första författaren Maria Folgueras, en före detta doktorandstipendiat i Peidong Yang-gruppen vid Berkeley Lab och UC Berkeley. "Man kan föreställa sig att var och en av dessa oktaedriska LEGO kan bära någon typ av "genetisk" information, precis som DNA-baspar bär vår genetiska information," sa Yang. "Det skulle vara ganska fascinerande om vi en dag kunde koda och avkoda dessa molekylära LEGO-halvledare för informationsvetenskapliga tillämpningar." Forskarna planerar nästa att fortsätta designa hållbara halvledarmaterial för solid-state belysning och displayapplikationer.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63736.php
- : har
- :är
- :inte
- $UPP
- 10
- 28
- 300
- 7
- 700
- 8
- 80
- 9
- a
- förmåga
- Able
- Om oss
- accelererande
- Dessutom
- avancera
- avancerat
- Vidare
- Fördel
- Alla
- tillåta
- Legering
- nästan
- Även
- Omgivande
- mängd
- an
- och
- Annan
- tillämpningar
- tillvägagångssätt
- cirka
- ÄR
- runt
- AS
- At
- Författaren
- Författarna
- bas
- BE
- bears
- därför att
- varit
- Berkeley
- Block
- genombrott
- Byggnad
- men
- by
- kalifornien
- kallas
- KAN
- kol
- koldioxidutsläpp
- bära
- Celsius
- Centrum
- utmanande
- kemisk
- kemi
- koda
- färg
- jämfört
- komponent
- datorer
- databehandling
- begrepp
- villkor
- BEKRÄFTAT
- fortsätta
- konventionell
- Kostar
- kunde
- Kristall
- datum
- Datum
- dag
- Efterfrågan
- demonstreras
- demonstrerar
- Avdelning
- Designa
- design
- utveckla
- utvecklade
- anordning
- enheter
- olika
- Visa
- division
- DNA-
- dramatiskt
- Damm
- varje
- lättare
- lätt
- Elektronisk
- element
- utsläpp
- möjliggöra
- energi
- Teknik
- enorm
- Varje
- experimentera
- experiment
- förklarade
- utsträckning
- familjer
- långt
- fascinerande
- snabbare
- Kompis
- fylla
- Förnamn
- fem
- flexibel
- För
- formen
- bildad
- Tidigare
- från
- spalt
- Go
- Golden
- uppgradera
- Grupp
- Hård
- Har
- he
- Hjärta
- hjälpa
- Hög
- ÖPPETTIDER
- HTTPS
- if
- bild
- bild
- imponerande
- in
- Inkorporerad
- individuellt
- industrin
- informationen
- ingång
- ingångar
- in
- Jonisk
- tidskriften
- jpg
- bara
- lab
- laboratorium
- större
- Lawrence
- skikt
- t minst
- Led
- mindre
- belånade
- ljus
- Belysning
- tycka om
- logotyp
- Lång
- förlorar
- Lot
- Låg
- lägre
- gjord
- större
- göra
- Framställning
- Tillverkare
- Produktion
- många
- Mary
- Materialet
- material
- metod
- metoder
- Mikroskop
- Mitten
- milda
- minimum
- Blandning
- molekylär
- månader
- mer
- nationell
- Natur
- nästan
- nödvändigt för
- Nya
- Nästa
- antal
- of
- on
- ONE
- or
- Övriga
- vår
- över
- Övervinna
- par
- särskilt
- bana
- PHP
- Planen
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatonData
- potentiell
- potentiellt
- Principen
- tryckning
- Problem
- process
- bearbetade
- bearbetning
- producerar
- Professor
- programmerbar
- kvaliteter
- Raw
- nyligen
- återvinning
- minska
- Rapporterad
- kräver
- krav
- Kräver
- forskning
- forskaren
- forskare
- resulterande
- behålla
- Rum
- Nämnda
- Samma
- SAND
- skalning
- scanning
- Vetenskap
- VETENSKAPER
- Forskare
- vetenskapsmän
- väljer
- halvledare
- Halvledare
- senior
- tjänar
- in
- lysa
- signifikant
- signifikant
- Kisel
- enda
- SEX
- Sex månader
- Storlek
- Mjuk
- sol-
- lösning
- några
- Källa
- Källor
- Stabilitet
- stapling
- Fortfarande
- lagra
- strukturer
- student
- studerade
- Läsa på
- överraskad
- hållbart
- system
- System
- Ta
- tar
- grupp
- tekniker
- än
- den där
- Smakämnen
- deras
- sedan
- Dessa
- de
- detta
- Således
- till
- tog
- traditionell
- överföring
- två
- Typ
- under
- förståelse
- unika
- till skillnad från
- användning
- användningar
- mycket
- ville
- var
- Avfall
- spillvärmeåtervinning
- våglängder
- Sätt..
- we
- veckor
- były
- som
- utbredd
- kommer
- med
- inom
- utan
- Arbete
- skulle
- år
- zephyrnet