麻省理工学院的一个新平台使研究人员能够“生长”卤化物钙钛矿纳米晶体，并精确控制每个晶体的位置和大小，将它们集成到纳米级发光二极管中。图为纳米晶体阵列发光的效果图。图片来源:Sampson Wilcox, RLE提供

一项新技术正好可以生产钙钛矿纳米晶体因此，这种极其精细的材料可以集成到纳米级设备中。

麻省理工学院的研究人员已经开发出一种突破性的方法来精确地生长卤化物钙钛矿纳米晶体，从而消除了对破坏性制造技术的需求。该技术有助于纳米oled和其他功能的开发纳米级器件，在光通信、计算和高分辨率显示技术方面具有发展潜力。

卤化物钙钛矿是一类因其优越的光电性能和在高性能太阳能电池、发光二极管和激光器等器件中的潜在应用而引起人们关注的材料。

这些材料已经在很大程度上应用于薄膜或微米尺寸的器件中。在纳米尺度上精确地整合这些材料可能会带来更多非凡的应用，比如片上光源、光电探测器和忆阻器。然而，实现这种集成仍然具有挑战性，因为这种微妙的材料可能被传统的制造和图案技术破坏。

为了克服这一障碍，麻省理工学院的研究人员创造了一种技术，可以在需要的地方生长单个卤化物钙钛矿纳米晶体，并精确控制位置，误差小于50纳米。(一张纸有10万纳米厚。)纳米晶体的尺寸也可以通过这种技术精确控制，这一点很重要，因为尺寸会影响它们的特性。由于材料是局部生长的，具有所需的特征，因此不需要可能引入损坏的传统光刻图案化步骤。

如图所示，纳米oled阵列可以应用于光通信和计算、无透镜显微镜、新型量子光源，以及用于增强现实和虚拟现实的高密度、高分辨率显示器。图片来源:研究人员提供

该技术也是可扩展的，通用的，并且与传统的制造步骤兼容，因此它可以使纳米晶体集成到功能纳米级器件中。研究人员利用这种材料制造了纳米级发光二极管(nanoLEDs)阵列——当电激活时发光的微小晶体。这种阵列可以应用于光通信和计算、无透镜显微镜、新型量子光源，以及用于增强现实和虚拟现实的高密度、高分辨率显示器。

“正如我们的工作所表明的，开发新的工程框架将纳米材料集成到功能性纳米器件中是至关重要的。通过超越纳米制造、材料工程和设备设计的传统界限，这些技术可以让我们在极端的纳米尺度上操纵物质，帮助我们实现对满足新兴技术需求至关重要的非常规设备平台。”Farnaz Niroui说，他是电气工程和计算机科学(EECS)的EE Landsman职业发展助理教授，电子研究实验室(RLE)的成员，也是一篇描述这项工作的新论文的资深作者。

Niroui的共同作者包括主要作者Patricia Jastrzebska-Perfect, EECS的研究生;朱维坤(音译)，化学工程系研究生;Mayuran Saravanapavanantham, Sarah Spector, Roberto Brenes和Peter Satterthwaite，均为EECS研究生;李铮，RLE博士后;以及电气工程教授Rajeev Ram。这项研究发表在7月6日的《自然通讯》杂志上。

微小的晶体，巨大的挑战

使用传统的纳米级制造技术，将卤化物钙钛矿集成到片上纳米级器件中是极其困难的。一种方法是使用光刻工艺制作易碎的钙钛矿薄膜，这需要可能损坏材料的溶剂。在另一种方法中，首先在溶液中形成较小的晶体，然后从溶液中取出并以所需的模式放置。

“在这两种情况下，都缺乏控制、分辨率和集成能力，这限制了材料扩展到纳米器件的方式，”Niroui说。

相反，她和她的团队开发了一种方法，在精确的位置“生长”卤化物钙钛矿晶体，直接在所需的表面上，然后在那里制造纳米器件。

该工艺的核心是定位纳米晶体生长中使用的溶液。为了做到这一点，他们创造了一个纳米级模板，上面有小孔，其中包含晶体生长的化学过程。他们修改模板的表面和井的内部，控制一种被称为“润湿性”的特性，这样含有钙钛矿材料的溶液就不会聚集在模板表面，而是被限制在井内。

“现在，你有了这些非常小而确定的反应堆，材料可以在其中生长，”她说。

事实就是如此。他们将含有卤化物钙钛矿生长材料的溶液涂在模板上，随着溶剂的蒸发，材料生长并在每个孔中形成微小的晶体。

一个通用的和可调的技术

研究人员发现，井的形状在控制纳米晶体定位方面起着关键作用。如果使用方形井，由于纳米级力的影响，晶体有相同的机会被放置在每个井的四个角上。对于某些应用来说，这可能已经足够好了，但对于其他应用来说，需要在纳米晶体放置方面有更高的精度。

通过改变井的形状，研究人员能够设计这些纳米级的力，使晶体优先放置在所需的位置。

当溶剂在井内蒸发时，纳米晶体会经历一个压力梯度，从而产生一个定向力，通过井的不对称形状来确定准确的方向。

“这使得我们不仅在生长方面，而且在这些纳米晶体的放置方面都具有非常高的精度，”Niroui说。

他们还发现他们可以控制井内形成的晶体的大小。改变孔的大小，允许或多或少的生长溶液进入，产生或大或小的晶体。

他们通过制造精确的纳米oled阵列证明了他们技术的有效性。在这种方法中，每个纳米晶体被制成一个发光的纳米像素。这些高密度纳米oled阵列可用于片上光通信和计算、量子光源、显微镜以及用于增强和虚拟现实应用的高分辨率显示器。

在未来，研究人员希望探索这些微小光源的更多潜在应用。他们还想测试这些设备能有多小的极限，并努力将它们有效地整合到量子系统中。除了纳米级光源之外，该工艺还为开发基于卤化物钙钛矿的片上纳米器件开辟了其他机会。

他们的技术还为研究人员在单个纳米晶体水平上研究材料提供了一种更简单的方法，他们希望这将激励其他人对这些和其他独特材料进行更多的研究。

Jastrzebska-Perfect补充说:“通过高通量方法研究纳米级材料通常需要材料精确地定位和设计在这种规模上。”“通过提供局部控制，我们的技术可以改善研究人员调查和调整材料特性的方式，以适应不同的应用。”

“该团队已经开发出一种非常聪明的方法，可以在衬底上确定合成单个钙钛矿纳米晶体。他们可以以前所未有的规模控制纳米晶体的精确位置，从而为基于单纳米晶体的高效纳米级led制造提供了一个平台，”加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学教授Ali Javey说，他没有参与这项研究。“这是一项令人兴奋的工作，因为它克服了该领域的一个基本挑战。”

参考文献:“用于集成纳米器件的钙钛矿纳米晶体阵列的现场生长”，作者:Patricia Jastrzebska-Perfect, Weikun Zhu, Mayuran Saravanapavanantham, Zheng Li, Sarah O. Spector, Roberto Brenes, Peter F. Satterthwaite, Rajeev J. Ram和Farnaz Niroui, 2023年7月6日，Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 39488 - 0

这项工作得到了美国国家科学基金会和麻省理工学院量子工程中心的部分支持。