28 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerk新闻) 半导体是几乎所有电子设备的核心。 如果没有半导体,我们的计算机将无法处理和保留数据; LED(发光二极管)灯泡将失去发光能力。 但半导体制造需要大量能源。 用沙子(氧化硅)形成半导体材料会消耗大量热密集型能源,温度高达 2,700 华氏度左右。 纯化和组装制造半导体的所有原材料的过程可能需要数周甚至数月的时间。 一种称为“多元素墨水”的新型半导体材料可以使该过程的热强度显着降低且更加可持续。 由劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校的研究人员开发的“多元墨水”是第一个可以在低温或室温下加工的“高熵”半导体。 最近该杂志报道了这一突破 自然 (“通过温和化学稳定的高熵卤化物钙钛矿单晶”).
硅晶片的图像。 伯克利实验室的科学家们开发出了“多元素墨水”——一种新型半导体材料,可以实现更可持续的微电子制造方法。 与硅不同,多元素墨水可以在室温下进行处理。 (图片来源:kynny/iStock)“制造半导体器件的传统方法是能源密集型的,也是碳排放的主要来源之一,”该研究的资深作者杨培东说。 杨是伯克利实验室材料科学部的高级科学家,也是加州大学伯克利分校化学和材料科学与工程教授。 “我们制造半导体的新方法可以为更可持续的半导体行业铺平道路。” 这一进步利用了两种独特的半导体材料:由高熵半导体制成的硬质合金; 以及由结晶卤化物制成的柔软、有弹性的材料 钙钛矿。 高熵材料是由五种或更多不同化学元素组成的固体,它们以几乎相等的比例自组装成一个系统。 多年来,研究人员一直希望使用高熵材料来开发以最少的能量输入进行自组装的半导体材料。 “但是高熵半导体的研究还没有达到几乎相同的程度。 我们的工作可以帮助显着填补这一理解空白。”共同第一作者、伯克利实验室材料科学部和加州大学伯克利分校化学系杨培东小组的研究生研究员 Yuxin Jiang 说。
五元素 ZrSnTeHfPt 单晶在紫外灯激发下发出的加州金熊队徽标的光致发光图像。 这些晶体是由“多元墨水”形成的。 该实验展示了该材料作为颜色可调 LED 器件的潜力。 (图片:Maria Folgueras、Yuxin Jiang 和 Peidong Yang,伯克利实验室)虽然传统的高熵合金材料在制造过程中所需的能量远低于硅,但它们仍然需要超过 1000 摄氏度(或超过 1832 摄氏度)的高温华氏度)。 由于巨大的能量输入,扩大高熵材料的工业规模制造具有挑战性。 为了克服这一障碍,杨和团队随后利用了一种经过充分研究的太阳能材料的独特品质,这种材料多年来一直引起研究人员的兴趣:卤化物钙钛矿。 钙钛矿很容易在低温下从溶液中加工——从室温到大约 300 华氏度。 这些较低的处理温度有一天可能会大大降低半导体制造商的能源成本。 在这项新研究中,Yang和团队利用这种较低的能量需求,在室温或低温(80摄氏度或176华氏度)条件下从溶液中合成高熵卤化物钙钛矿单晶。
在溶液中,多元素墨水在低温下自组装成高熵半导体或卤化物钙钛矿单晶。 (图片:Maria Folgueras、Yuxin Jiang 和 Peidong Yang,伯克利实验室)Yang 解释说,由于其离子键合性质,与其他材料系统相比,卤化物钙钛矿晶体结构形成所需的能量要低得多。 伯克利实验室先进光源的实验证实,所得的八面体和立方八面体晶体是高熵卤化物钙钛矿单晶:一组由五种元素(SnTeReIrPt或ZrSnTeHfPt)组成,另一组由六种元素(SnTeReOsIrPt或ZrSnTeHfRePt)组成。 晶体的直径约为30-100微米。 (微米是十亿分之一米,大约是一粒灰尘的大小。)低温/室温技术可在混合溶液和沉淀后数小时内生产出单晶半导体,速度远远快于传统半导体制造技术。 “直观地说,制造这些半导体就像将八面体形状的分子‘乐高’堆叠成更大的八面体单晶,”杨说。 “想象一下每个单独的分子乐高积木都会发出不同的波长,原则上我们可以设计一种半导体材料,通过选择不同的分子八面体乐高积木来发出任意颜色,”他解释道。 作者通过打印加州金熊队标志来展示这一概念。 环境温度下的稳定性长期以来一直是推进商业化卤化物钙钛矿的一个问题,但在这项新研究的台式实验中,高熵“多元素墨水”卤化物钙钛矿的令人印象深刻的环境空气稳定性令研究团队感到惊讶。至少六个月。
六元素单晶的扫描电子显微镜图像。 这些晶体是由“多元素墨水”的构建块形成的,这是第一种可以在低温或室温下加工的高熵半导体。 (图片来源:Maria Folgueras、Yuxin Jiang 和 Peidong Yang,伯克利实验室)Yang 表示,这种多元素墨水具有许多潜在的应用,特别是作为颜色可调的 LED 或其他固态照明设备,或者作为废物的热电材料热回收。 此外,该材料还可以用作光学计算设备中的可编程组件,利用光来传输或存储数据。 “我们的高熵卤化物-钙钛矿半导体晶体,通过室温和低温方法,可以在不破坏其他必要层的情况下整合到电子设备中,从而使电子设备的设计更容易,并更广泛地使用电子设备中的高熵材料,”共同第一作者、伯克利实验室和加州大学伯克利分校杨培东小组的前研究生研究员 Maria Folgueras 说。 “可以想象,每个八面体乐高积木都可以携带某种类型的‘遗传’信息,就像 DNA 碱基对携带我们的遗传信息一样,”杨说。 “如果有一天我们能够对这些分子乐高半导体进行编码和解码以用于信息科学应用,那将是非常令人着迷的。” 研究人员下一步计划继续设计用于固态照明和显示应用的可持续半导体材料。
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