28 вересня 2023 (Новини Nanowerk) Напівпровідники є серцем майже кожного електронного пристрою. Без напівпровідників наші комп’ютери не змогли б обробляти та зберігати дані; і світлодіодні (світлодіодні) лампочки втратять здатність світити.
Але виробництво напівпровідників вимагає багато енергії. Формування напівпровідникових матеріалів із піску (оксиду кремнію) споживає значну кількість теплоємної енергії за високих температур близько 2,700 градусів за Фаренгейтом. А процес очищення та складання всієї сировини, яка йде на виготовлення напівпровідника, може тривати тижнями, якщо не місяцями.
Новий напівпровідниковий матеріал під назвою «багатоелементне чорнило» може зробити цей процес значно менш теплоємним і більш стійким. «Багатоелементне чорнило», розроблене дослідниками з Національної лабораторії Лоуренса Берклі (Berkeley Lab) і Каліфорнійського університету в Берклі, є першим «високоентропійним» напівпровідником, який можна обробляти при низькій або кімнатній температурі. Про прорив нещодавно повідомили в журналі природа («Монокристали високоентропійного галогеніду перовскіту, стабілізовані м’якою хімією»).
Зображення силіконових пластин. Вчені лабораторії Берклі розробили «багатоелементне чорнило» — новий напівпровідниковий матеріал, який може забезпечити більш стійкий підхід до виробництва мікроелектроніки. На відміну від кремнію, багатоелементне чорнило можна обробляти при кімнатній температурі. (Зображення: kynny/iStock)
«Традиційний спосіб виготовлення напівпровідникових пристроїв є енергоємним і є одним із основних джерел викидів вуглецю», — сказав Пейдонг Янг, старший автор дослідження. Ян є старшим науковим співробітником відділу матеріалознавства лабораторії Берклі та професором хімії та матеріалознавства та інженерії в Каліфорнійському університеті в Берклі. «Наш новий метод виробництва напівпровідників може прокласти шлях до більш стійкої напівпровідникової промисловості».
Цей прогрес використовує переваги двох унікальних сімейств напівпровідникових матеріалів: тверді сплави з високоентропійних напівпровідників; і м'який гнучкий матеріал із кристалічного галогеніду перовскіти.
Матеріали з високою ентропією — це тверді речовини, що складаються з п’яти або більше різних хімічних елементів, які самозбираються в майже рівних пропорціях в єдину систему. Протягом багатьох років дослідники хотіли використовувати матеріали з високою ентропією для розробки напівпровідникових матеріалів, які самозбираються з мінімальними витратами енергії.
«Але напівпровідники з високою ентропією не були вивчені майже такою ж мірою. Наша робота може допомогти суттєво заповнити цю прогалину в розумінні», — сказав Юсінь Цзян, один із авторів і аспірант групи Peidong Yang з відділу матеріалознавства лабораторії Берклі та факультету хімії Каліфорнійського університету в Берклі.
Фотолюмінесцентне зображення логотипу «Золоті ведмеді Каліфорнії», випромінюване монокристалами ZrSnTeHfPt із п’яти елементів під впливом ультрафіолетової лампи. Кристали були сформовані з «багатоелементного чорнила». Експеримент демонструє потенціал матеріалу як світлодіодного пристрою з можливістю налаштування кольору. (Зображення: Марія Фольгерас, Юсінь Цзян і Пейдонг Янг, лабораторія Берклі)
Незважаючи на те, що звичайні високоентропійні сплави вимагають набагато менше енергії, ніж кремній для виробництва, вони все одно потребують дуже високих температур понад 1000 градусів за Цельсієм (або понад 1832 градуси за Фаренгейтом). Масштабування матеріалів з високою ентропією для промислового виробництва є складним через ці величезні витрати енергії.
Щоб подолати цю перешкоду, Янг і команда використали унікальні властивості добре вивченого сонячного матеріалу, який інтригував дослідників протягом багатьох років: галоїдних перовскітів.
Перовскіти легко виробляються з розчину при низькій температурі – від кімнатної до приблизно 300 градусів за Фаренгейтом. Ці нижчі температури обробки одного разу можуть різко знизити витрати на електроенергію для виробників напівпровідників.
У новому дослідженні Янг і команда скористалися цією нижчою потребою в енергії, щоб синтезувати високоентропійні галоїдні монокристали персовскіту з розчину за кімнатної або низької температури (80 градусів за Цельсієм або 176 градусів за Фаренгейтом).
У розчині багатоелементне чорнило самозбирається за низьких температур у високоентропійні напівпровідники або монокристали галоїдного перовскіту. (Зображення: Марія Фольгерас, Юсінь Цзян і Пейдонг Янг, лабораторія Берклі)
Через свою природу іонного зв’язку кристалічні структури галоїдного перовскіту потребують значно меншої енергії для формування порівняно з іншими матеріальними системами, пояснив Янг.
Експерименти в Berkeley Lab’s Advanced Light Source підтвердили, що отримані октаедричні та кубоктаедричні кристали є високоентропійними галоїдними монокристалами перовскіту: один набір складається з п’яти елементів (SnTeReIrPt або ZrSnTeHfPt), а інший набір складається з шести елементів (SnTeReOsIrPt або ZrSnTeHfRePt). Кристали мають діаметр приблизно 30-100 мікрометрів. (Мікрометр — це одна мільярдна частина метра, що приблизно дорівнює розміру порошинки.)
Технологія низькотемпературної/кімнатної температури створює монокристалічні напівпровідники протягом декількох годин після змішування розчину та осадження, набагато швидше, ніж звичайні методи виготовлення напівпровідників.
«Інтуїтивно зрозуміло, що створення цих напівпровідників схоже на складання молекулярних «LEGO» октаедричної форми у більші октаедричні монокристали», — сказав Ян. «Уявивши, що кожен із цих окремих молекулярних LEGO буде випромінювати на різних довжинах хвилі, можна в принципі створити напівпровідниковий матеріал, який буде випромінювати довільний колір, вибравши різні молекулярні октаедричні LEGO», — пояснив він. Автори продемонстрували цю концепцію, надрукувавши логотип California Golden Bears.
Стабільність при температурі навколишнього середовища протягом тривалого часу була проблемою для розробки промислових галоїдних перовскітів, але в настільному експерименті для нового дослідження високоентропійний галогенідний перовскіт «багатоелементного чорнила» здивував дослідницьку групу вражаючою стабільністю навколишнього повітря при мінімум шість місяців.
Зображення шестиелементних монокристалів за допомогою скануючого електронного мікроскопа. Кристали утворюються з будівельних блоків «багатоелементного чорнила», першого напівпровідника з високою ентропією, який можна обробляти при низькій або кімнатній температурі. (Зображення: Марія Фольгерас, Юсінь Цзян і Пейдонг Ян, лабораторія Берклі)
Ян сказав, що багатоелементне чорнило має низку потенційних застосувань, зокрема, як світлодіод із можливістю регулювання кольору або інший твердотільний освітлювальний пристрій, або як термоелектрик для рекуперації відпрацьованого тепла. Крім того, матеріал потенційно може служити програмованим компонентом в оптичному обчислювальному пристрої, який використовує світло для передачі або зберігання даних.
«Наші високоентропійні галоїдно-перовскітові напівпровідникові кристали з їх кімнатною температурою та низькотемпературними методами можуть бути включені в електронний пристрій без руйнування інших необхідних шарів, що дозволяє спростити дизайн електронних пристроїв і більш широко використовувати матеріали з високою ентропією в електронних пристроях», – сказала співавтор Марія Фольгерас, колишня аспірантка групи Peidong Yang у лабораторії Берклі та Каліфорнійському університеті в Берклі.
«Можна уявити, що кожен із цих октаедричних LEGO може нести певний тип «генетичної» інформації, так само, як пари основ ДНК несуть нашу генетичну інформацію», — сказав Ян. «Було б дуже захоплююче, якби одного дня ми змогли закодувати та декодувати ці молекулярні напівпровідники LEGO для застосування в інформаційних науках».
Далі дослідники планують продовжити розробку стійких напівпровідникових матеріалів для твердотільного освітлення та дисплеїв.
- Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
- ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
- PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
- джерело: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63736.php
- : має
- :є
- : ні
- $UP
- 10
- 28
- 300
- 7
- 700
- 8
- 80
- 9
- a
- здатність
- Здатний
- МЕНЮ
- прискорення
- доповнення
- просування
- просунутий
- просування
- Перевага
- ВСІ
- Дозволити
- Сплав
- майже
- хоча
- Ambient
- кількість
- an
- та
- Інший
- застосування
- підхід
- приблизно
- ЕСТЬ
- навколо
- AS
- At
- автор
- authors
- база
- BE
- ведмеді
- оскільки
- було
- Берклі
- блоки
- прорив
- Створюємо
- але
- by
- Каліфорнія
- званий
- CAN
- вуглець
- викиди вуглекислого газу
- нести
- Цельсія
- Центр
- складні
- хімічний
- хімія
- код
- color
- порівняний
- компонент
- комп'ютери
- обчислення
- концепція
- Умови
- Підтверджено
- продовжувати
- звичайний
- витрати
- може
- кристал
- дані
- Дата
- день
- Попит
- продемонстрований
- демонструє
- відділ
- дизайн
- проектування
- розвивати
- розвиненою
- пристрій
- прилади
- різний
- дисплей
- Роздільна
- ДНК
- різко
- Пилу
- кожен
- легше
- легко
- Electronic
- елементи
- викиди
- включіть
- енергія
- Машинобудування
- величезний
- Кожен
- експеримент
- Експерименти
- пояснені
- ступінь
- сімей
- далеко
- захоплюючий
- швидше
- fellow
- заповнювати
- Перший
- п'ять
- гнучкий
- для
- форма
- сформований
- Колишній
- від
- розрив
- Go
- Золотий
- випускник
- Group
- Жорсткий
- Мати
- he
- Серце
- допомога
- Високий
- ГОДИННИК
- HTTPS
- if
- зображення
- картина
- вражаючий
- in
- Зареєстрований
- індивідуальний
- промисловість
- інформація
- вхід
- витрати
- в
- Іонний
- журнал
- JPG
- просто
- lab
- лабораторія
- більше
- lawrence
- шарів
- найменш
- Led
- менше
- левередж
- світло
- Освітлення
- як
- логотип
- Довго
- втрачати
- серія
- низький
- знизити
- made
- основний
- зробити
- Робить
- Виробники
- виробництво
- багато
- Марія
- матеріал
- Матеріали
- метод
- методика
- Мікроскоп
- Середній
- м'який
- мінімальний
- Змішування
- молекулярний
- місяців
- більше
- National
- природа
- майже
- необхідно
- Нові
- наступний
- номер
- of
- on
- ONE
- or
- Інше
- наші
- над
- Подолати
- пар
- особливо
- прокладати
- PHP
- план
- plato
- Інформація про дані Платона
- PlatoData
- потенціал
- потенційно
- принцип
- друк
- Проблема
- процес
- оброблена
- обробка
- випускає
- Професор
- програмований
- якості
- Сировина
- нещодавно
- відновлення
- зменшити
- Повідомляється
- вимагати
- вимога
- Вимагається
- дослідження
- дослідник
- Дослідники
- в результаті
- зберігати
- Кімната
- Зазначений
- то ж
- ПІСНІТЬ
- Масштабування
- сканування
- наука
- НАУКИ
- вчений
- Вчені
- вибирає
- напівпровідник
- Напівпровідникові прилади
- старший
- служити
- комплект
- світити
- значний
- істотно
- Кремній
- один
- SIX
- Шість місяців
- Розмір
- М'який
- сонячний
- рішення
- деякі
- Source
- Джерела
- Стабільність
- укладання
- Як і раніше
- зберігати
- структур
- студент
- навчався
- Вивчення
- здивований
- сталого
- система
- Systems
- Приймати
- приймає
- команда
- методи
- ніж
- Що
- Команда
- їх
- потім
- Ці
- вони
- це
- Таким чином
- до
- прийняли
- традиційний
- переклад
- два
- тип
- при
- розуміння
- створеного
- на відміну від
- використання
- використовує
- дуже
- хотів
- було
- Відходи
- утилізація відпрацьованого тепла
- довжини хвиль
- шлях..
- we
- тижня
- були
- який
- широко поширений
- волі
- з
- в
- без
- Work
- б
- років
- зефірнет