nanoLEDの精密アレイを作製

September, 29, 2023, Cambridge--新しい技術により、必要な場所でペロブスカイトナノ結晶が生成されるため、非常に繊細な材料をナノスケールデバイスに統合できる。

ハロゲン化物ペロブスカイトは、その優れた光電子特性と、高性能太陽電池、LEDs、レーザなどのデバイスでアプリケーションが期待されている材料ファミリーである。

これらの材料は、主に薄膜またはミクロンサイズのデバイスアプリケーションに実装されている。これらの材料をナノスケールで正確に統合することで、オンチップ光源、フォトディテクタ、メムリスタなど、さらに注目すべきアプリケーションが開かれる可能性がある。とは言え、この統合を達成することは依然として困難である。この繊細な材料は従来の製造およびパタニング技術によって損傷する可能性があるからだ。

このハードルを克服するために、MITの研究者は、個々のハロゲン化物ペロブスカイトナノ結晶を、位置を正確に制御しながら、必要に応じて現場で50nm未満に成長させることができる技術を実現した。ナノ結晶のサイズもこの技術によって正確に制御することができる。サイズはそれらの特性に影響を与えるので重要である。材料は所望の特徴を備え、局所的に成長するので、損傷をもたらす可能性のある従来のリソグラフィパターニングステップは不要となる。

この技術はまた、スケーラブルで用途が広く、従来の製造プロセスと互換性があるため、ナノ結晶を機能的ナノスケールデバイスに統合することができる。研究チームは、これを使用して、電気的に活性化されると発光する小さな結晶であるナノスケールの発光ダイオード(nanoLED)アレイを製造した。このようなアレイは、光通信とコンピューティング、レンズレス顕微鏡、新しいタイプの量子光源、AR/VRのための高密度、高解像度ディスプレイに応用できる可能性がある。

「われわれの研究が示すように、ナノ材料を機能性ナノデバイスに統合するための新しいエンジニアリングフレームワークを開発することが重要である。ナノファブリケーション、材料工学、デバイス設計の従来の境界を超えることで、これらの技術により、極端なナノスケール次元で物質を操作することが可能になり、新たな技術ニーズに対応するために重要な型破りなデバイスプラットフォーム実現に役立つ」と、電子工学研究所(RLE)メンバーEE Landsman Career Development電気工学&コンピュータサイエンス(EECS)助教授、Farnaz Nirouiは話している。 同氏は、その成果を説明する新論文のシニア著者。
この研究成果は、Nature Communications に掲載された。

微小結晶、巨大な課題
ハロゲン化物ペロブスカイトをオンチップナノスケールデバイスに統合することは、従来のナノスケール製造技術を使用して極めて困難である。
研究チームは、ハロゲン化物ペロブスカイト結晶を正確な場所でナノデバイスが製造される目的の表面に直接「成長」させるアプローチを開発した。

そのプロセスの核心は、ナノ結晶成長に使用される溶液を局在化すること。そうするために、チームは結晶が成長する化学プロセスを含む小さな井戸(ウエル)でナノスケールのテンプレートを作成する。それらはテンプレート表面とウェルの内部を変更し、「濡れ性」と呼ばれる特性を制御して、ペロブスカイト材料を含む溶液がテンプレート表面に溜まらず、ウェル内に閉じ込められるようにする。

「現在、これらの非常に小さくて決定論的なリアクタを持っていて、その中で材料を成長させることができる」(Niroui)。

それはまさに起こることである。ハロゲン化物ペロブスカイト成長材料を含む溶液をテンプレートに適用し、溶媒が気化すると、材料が成長し、各ウェルに小さな結晶を形成する。

多用途、広く調整可能な手法
研究チームは、ウェルの形状がナノ結晶の位置を制御する上で重要な役割を果たすことを発見した。正方形の井戸(ウェル)を使用する場合、ナノスケールの力の影響により、結晶はウェルの四隅のそれぞれに配置される可能性が等しくなる。アプリケーションによってはそれで十分かもしれないが、ナノ結晶の配置の精度を高める必要があるものもある。

ウェルの形状を変えることによって、研究者たちは、結晶が所望の場所に優先的に配置されるようにこれらのナノスケールの力を設計することができた。

溶媒がウェル内で気化すると、ナノ結晶は方向性力を生み出す圧力勾配を経験し、正確な方向はウェルの非対称形状を使用して決定される。

「これにより、成長だけでなく、これらのナノ結晶の配置においても非常に高い精度を得ることができる」(Niroui)。

チームはまた、井戸の中に形成される結晶サイズを制御できることを確認した。ウェルのサイズを変更して、内部の成長溶液をより多く、またはより少なくすると、より大きなまたはより小さな結晶が生成される。

研究チームは、nanoLEDsの正確なアレイを製造することにより、技術の有効性を実証した。このアプローチでは、各ナノ結晶を発光するナノピクセルにする。これらの高密度nanoLEDアレイは、オンチップの光通信とコンピューティング、量子光源、顕微鏡、および拡張現実および仮想現実アプリケーション用の高解像度ディスプレイに使用できる。

将来的には、研究チームはこれらの小さな光源のより多くの潜在的なアプリケーションを探求したいと考えている。また、これらのデバイスの小型化の限界をテストし、量子システムへの効果的組込に取り組みたいと考えている。このプロセスは、ナノスケールの光源を超えて、ハロゲン化物ペロブスカイトベースのオンチップナノデバイスを開発するための他の機会も開く。

「高スループット法でナノスケールの材料を研究するには、多くの場合、材料を正確に局在化させ、そのスケールで設計する必要がある。その局所的な制御を提供することにより、われわれの技術は、研究者がさまざまな用途のために材料の特性を調査および調整する方法を改善することができる」(Jastrzebska-Perfect)。

「研究チームは、基板上の個々のペロブスカイトナノ結晶の決定論的合成のための非常に巧妙な方法を開発した。ナノ結晶の正確な配置を前例のない規模で制御できるため、単一のナノ結晶に基づく高効率のナノスケールLEDを製造するためのプラットフォームが可能になる」と、UC Berkeley電気工学&コンピュータサイエンス教授AliJaveyはコメントしている。