افزایش سرعت نیمه هادی های انعطاف پذیر با جوهر چند عنصری

خوراکی های کلیدی:

• دانشمندان یک “جوهر چند عنصری” – اولین نیمه هادی “آنتروپی بالا” ساخته اند که می تواند در دمای پایین یا اتاق پردازش شود.
• جوهر چند عنصری می تواند تولید نیمه هادی مقرون به صرفه و کم مصرف را فراهم کند.
• مواد نیمه هادی جدید می تواند تولید پایدار نسل بعدی میکروالکترونیک، فتوولتائیک، روشنایی حالت جامد و دستگاه های نمایشگر را تسریع بخشد.

اخبار – نیمه هادی ها قلب تقریباً هر دستگاه الکترونیکی هستند. بدون نیمه هادی ها، رایانه های ما قادر به پردازش و ذخیره داده ها نیستند. و لامپ های LED (دیود ساطع کننده نور) توانایی خود را برای درخشش از دست می دهند.

اما ساخت نیمه هادی ها به انرژی زیادی نیاز دارد. تشکیل مواد نیمه هادی از شن و ماسه (اکسید سیلیکون) مقدار قابل توجهی انرژی گرما فشرده را در دمای داغ حدود 2700 درجه فارنهایت مصرف می کند. و فرآیند پالایش و مونتاژ تمام مواد خامی که برای ساخت یک نیمه هادی انجام می شود، ممکن است هفته ها، حتی ماه ها طول بکشد.

یک ماده نیمه هادی جدید به نام “جوهر چند عنصری” می تواند این فرآیند را به میزان قابل توجهی گرما کمتر و پایدارتر کند. “جوهر چند عنصری” که توسط محققان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) و UC برکلی توسعه یافته است، اولین نیمه هادی “آنتروپی بالا” است که می تواند در دمای پایین یا اتاق پردازش شود. این پیشرفت اخیراً در مجله گزارش شده است طبیعت.

پیدونگ یانگ، نویسنده ارشد این مطالعه گفت: “روش سنتی تولید دستگاه های نیمه هادی انرژی بر و یکی از منابع اصلی انتشار کربن است.” یانگ یک دانشمند ارشد دانشکده در بخش علوم مواد آزمایشگاه برکلی و استاد شیمی و علم و مهندسی مواد در دانشگاه کالیفرنیا برکلی است. “روش جدید تولید نیمه هادی ما می تواند راه را برای صنعت نیمه هادی پایدارتر هموار کند.”

این پیشرفت از دو خانواده منحصر به فرد مواد نیمه هادی بهره می برد: آلیاژهای سخت ساخته شده از نیمه هادی های با آنتروپی بالا. و یک ماده نرم و انعطاف پذیر ساخته شده از پروسکایت هالید کریستالی.

مواد با آنتروپی بالا جامداتی هستند که از پنج یا چند عنصر شیمیایی مختلف ساخته شده‌اند که به نسبت‌های تقریباً مساوی در یک سیستم جمع می‌شوند. برای سال‌های متمادی، محققان می‌خواستند از مواد با آنتروپی بالا برای توسعه مواد نیمه‌رسانا استفاده کنند که با کمترین انرژی ورودی به خودی خود مونتاژ می‌شوند.

“اما نیمه هادی های با آنتروپی بالا تقریباً به همان اندازه مورد بررسی قرار نگرفته اند. کار ما می تواند کمک زیادی به پر کردن این شکاف در درک کند.

اگرچه آلیاژهای معمولی با آنتروپی بالا برای تولید به انرژی بسیار کمتری نسبت به سیلیکون نیاز دارند، اما همچنان به دمای بسیار بالایی بیش از 1000 درجه سانتیگراد (یا بیش از 1832 درجه فارنهایت) نیاز دارند. افزایش مقیاس مواد با آنتروپی بالا برای تولید در مقیاس صنعتی به دلیل این سهم عظیم انرژی چالش برانگیز است.

یانگ و تیم برای غلبه بر این مانع، سپس از ویژگی‌های منحصربه‌فرد یک ماده خورشیدی به خوبی مطالعه شده استفاده کردند که سال‌ها محققان را مجذوب خود کرده است: پروسکایت هالید.

پروسکایت ها به راحتی از محلول در دمای پایین – از دمای اتاق تا حدود 300 درجه فارنهایت – پردازش می شوند. این دمای پایین‌تر پردازش می‌تواند روزی هزینه‌های انرژی را برای تولیدکنندگان نیمه‌رسانا کاهش دهد.

برای مطالعه جدید، یانگ و تیم از این نیاز به انرژی کمتر برای سنتز تک بلورهای هالید پروسکیت با آنتروپی بالا از محلول در دمای اتاق یا شرایط دمای پایین (80 درجه سانتیگراد یا 176 درجه فارنهایت) استفاده کردند.

یانگ توضیح داد که به دلیل ماهیت پیوند یونی، ساختارهای کریستالی پروسکایت هالید برای تشکیل به انرژی کمتری نسبت به سایر سیستم‌های مادی نیاز دارند.

آزمایشات در آزمایشگاه برکلی منبع نور پیشرفته تایید کرد که بلورهای هشت وجهی و مکعبی حاصل تک بلورهای هالید پروسکایت با آنتروپی بالا هستند: یک مجموعه از پنج عنصر (SnTeReIrPt یا ZrSnTeHfPt) و یک مجموعه دیگر از شش عنصر (SnTeReOsIrPt یا ZrSnTeHf). قطر بلورها تقریباً 30-100 میکرومتر است. (یک میکرومتر یک میلیونیم متر است که به اندازه یک دانه غبار است.)

تکنیک دمای پایین/دمای اتاق، نیمه هادی های تک کریستالی را در عرض چند ساعت پس از اختلاط و رسوب محلول تولید می کند، بسیار سریعتر از تکنیک های ساخت نیمه هادی های معمولی.

یانگ می‌گوید: «به‌طور شهودی، ساختن این نیمه‌رساناها مانند چیدن لگوهای مولکولی هشت‌وجهی در تک بلورهای هشت‌وجهی بزرگ‌تر است. او توضیح داد: «با تصور اینکه هر یک از این لگوهای مولکولی منفرد در طول موج‌های متفاوتی ساطع می‌کنند، در اصل می‌توان با انتخاب لگوهای هشت‌وجهی مولکولی مختلف، یک ماده نیمه‌رسانا طراحی کرد که هر رنگی را منتشر کند. نویسندگان این مفهوم را با چاپ لوگوی خرس طلایی کالیفرنیا نشان دادند.

پایداری در دمای محیط برای مدت طولانی در توسعه پروسکایت های هالید آماده تجاری مطرح بوده است، اما در یک آزمایش روی میز برای مطالعه جدید، پروسکایت هالید با آنتروپی بالا با یک “جوهر چند عنصری” تیم تحقیقاتی را با پایداری چشمگیر در آن غافلگیر کرد. هوای محیط حداقل به مدت شش ماه

یانگ گفت جوهر چند عنصری دارای تعدادی کاربرد بالقوه است، به ویژه به عنوان یک LED قابل تنظیم رنگ یا سایر دستگاه های روشنایی حالت جامد، یا به عنوان یک ترموالکتریک برای بازیابی گرمای هدر رفته. علاوه بر این، این ماده به طور بالقوه می تواند به عنوان یک جزء قابل برنامه ریزی در یک دستگاه محاسباتی نوری که از نور برای انتقال یا ذخیره داده ها استفاده می کند، عمل کند.

کریستال های نیمه هادی هالید پروسکایت ما با آنتروپی بالا، با روش های دمای اتاق و دمای پایین، می توانند بدون تخریب سایر لایه های ضروری در یک دستگاه الکترونیکی گنجانده شوند، در نتیجه طراحی دستگاه الکترونیکی آسان تر و استفاده گسترده تر از مواد با آنتروپی بالا را ممکن می سازد. ماریا فولگراس، یکی از نویسندگان این مقاله، یک دانشجوی فارغ التحصیل سابق در گروه پیدونگ یانگ در آزمایشگاه برکلی و دانشگاه برکلی، گفت.

یانگ می‌گوید: «می‌توان تصور کرد که هر یک از این لگوهای هشت‌وجهی می‌توانند نوعی اطلاعات «ژنتیکی» را حمل کنند، همانطور که جفت‌های پایه DNA حامل اطلاعات ژنتیکی ما هستند. اگر روزی بتوانیم این نیمه هادی های مولکولی لگو را برای کاربردهای علم اطلاعات رمزگذاری و رمزگشایی کنیم، بسیار جذاب خواهد بود.

سپس محققان قصد دارند به طراحی مواد نیمه هادی پایدار برای کاربردهای روشنایی حالت جامد و نمایشگر ادامه دهند.

منبع نور پیشرفته یک مرکز کاربری است که در آزمایشگاه برکلی قرار دارد.

این کار توسط دفتر علوم DOE پشتیبانی شد.

###

در سال 1931 با این اعتقاد که بزرگترین چالش های علمی به بهترین وجه توسط تیم ها حل می شود، تاسیس شد. آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و دانشمندان آن با 16 جایزه نوبل شناخته شده اند. امروزه، محققان آزمایشگاه برکلی انرژی پایدار و راه‌حل‌های زیست‌محیطی را توسعه می‌دهند، مواد مفید جدید ایجاد می‌کنند، مرزهای محاسبات را پشت سر می‌گذارند و اسرار حیات، ماده و جهان را کشف می‌کنند. دانشمندان از سراسر جهان برای اکتشافات علمی خود به امکانات آزمایشگاه متکی هستند. آزمایشگاه برکلی یک آزمایشگاه ملی چند برنامه ای است که توسط دانشگاه کالیفرنیا برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده اداره می شود.

دفتر علوم DOE بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Energy.gov/science.