Исследователи измеряют почти идеальную производительность в недорогих полупроводниках

Визуализация крупным планом квантовых точек, излучающих свет, который они поглотили. Предоставлено: Элла Марущенко.

Крошечные, легко производимые частицы, называемые квантовыми точками, могут вскоре заменить более дорогие монокристаллические полупроводники в продвинутой электронике, найденной в солнечных панелях, датчиках камер и медицинских инструментах обработки изображений. Хотя квантовые точки начали прорываться на потребительский рынок — в форме телевизоров с квантовыми точками — им мешает давняя неопределенность относительно их качества. Теперь новая методика измерения, разработанная исследователями из Стэнфордского университета, может окончательно развеять эти сомнения.

«Традиционные полупроводники — это монокристаллы, выращенные в вакууме в особых условиях. Их мы можем изготовить в большом количестве в колбе, в лаборатории, и мы показали, что они так же хороши, как и лучшие монокристаллы», — сказал Дэвид Ханифи, аспирант по химии в Стэнфорде и соавтор статьи, написанной об этой работе, опубликованной 15 марта в журнале Science.

Исследователи сконцентрировались на том, насколько эффективно квантовые точки излучают поглощаемый ими свет, что является одним из показателей качества полупроводников. В то время как предыдущие попытки выяснить эффективность квантовых точек намекали на высокую производительность , это первый метод измерения, который может с уверенностью показать, что они могут конкурировать с монокристаллами.

Эта работа является результатом сотрудничества между лабораториями Альберто Сальео, профессора материаловедения и инженерии в Стэнфорде, и Пола Аливисатоса, заслуженного профессора нанотехнологий и нанотехнологий в Университете Калифорнии, Беркли, который является пионером в области квантовой технологии. точка исследования и старший автор статьи. Аливисатос подчеркнул, как методика измерений может привести к разработке новых технологий и материалов, которые требуют кропотливого знания эффективности наших полупроводников.

«Эти материалы настолько эффективны, что существующие измерения не способны количественно оценить, насколько они хороши. Это гигантский скачок вперед», — сказал Аливисатос. «Возможно, когда-нибудь появятся приложения, для которых требуются материалы с эффективностью свечения, значительно превышающей 99 процентов, большинство из которых еще не изобретено».

Между 99 и 100

Возможность отказаться от необходимости дорогостоящего производственного оборудования — не единственное преимущество квантовых точек. Еще до этой работы были признаки того, что квантовые точки могут приближаться или превосходить характеристики некоторых из лучших кристаллов. Они также очень настраиваемы. Изменение их размера приводит к изменению длины волны излучаемого ими света, что является полезной функцией для цветных приложений, таких как маркировка биологических образцов, телевизоров или компьютерных мониторов.

Несмотря на эти положительные качества, небольшой размер квантовых точек означает, что для выполнения работы одного большого совершенного монокристалла может потребоваться миллиарды из них. Создание стольких из этих квантовых точек означает больше шансов на то, что что-то будет расти неправильно, больше шансов на дефект, который может снизить производительность. Методы, которые измеряют качество других полупроводников, ранее предполагали, что квантовые точки излучают более 99 процентов света, который они поглощают, но этого было недостаточно, чтобы ответить на вопросы об их вероятности появления дефектов. Чтобы сделать это, исследователи нуждались в методике измерения, лучше подходящей для точной оценки этих частиц.

«Мы хотим измерить эффективность излучения в диапазоне от 99,9 до 99,999 процента, потому что, если полупроводники способны излучать в виде света каждый фотон, который они поглощают, вы можете по-настоящему развлекать науку и создавать устройства, которых раньше не было», — сказал Ханифи.

Методика исследователей заключалась в проверке избыточного тепла, генерируемого активными квантовыми точками, а не только в оценке излучения света, поскольку избыточное тепло является признаком неэффективного излучения. Этот метод, обычно используемый для других материалов, никогда не применялся для измерения квантовых точек таким образом, и он был в 100 раз более точным, чем то, что другие использовали в прошлом. Они обнаружили, что группы квантовых точек надежно излучают около 99,6% поглощаемого ими света (с потенциальной ошибкой 0,2% в любом направлении), что сопоставимо с лучшими монокристаллическими излучениями.

«Удивительно, что пленка со многими потенциальными дефектами так же хороша, как и самый совершенный полупроводник, который вы можете сделать», — сказал Саллео, соавтор статьи.

Вопреки опасениям, результаты показывают, что квантовые точки поразительно устойчивы к дефектам. Метод измерения также является первым, кто твердо решил, как различные структуры квантовых точек сравниваются друг с другом — квантовые точки с точно восемью атомными слоями специального материала покрытия испускали свет быстрее всего, что является показателем превосходного качества. По словам Аливисатоса, форма этих точек должна определять дизайн для новых светоизлучающих материалов.

Абсолютно новые технологии

Это исследование является частью коллекции проектов в рамках Исследовательского центра энергетических границ при Департаменте энергетики, который называется Фотоника в термодинамических пределах. Под руководством Дженнифер Дионн, доцента материаловедения и машиностроения в Стэнфорде, целью центра является создание оптических материалов — материалов, которые влияют на поток света — с максимально возможной эффективностью.

Следующим шагом в этом проекте является разработка еще более точных измерений. Если исследователи смогут определить, что эти материалы достигают эффективности на уровне 99,999% или выше, это открывает возможности для технологий, которые мы никогда раньше не видели. Они могут включать новые светящиеся красители для улучшения нашей способности смотреть на биологию в атомном масштабе, люминесцентное охлаждение и люминесцентные солнечные концентраторы, которые позволяют относительно небольшому набору солнечных элементов получать энергию из большой области солнечного излучения. Все это, как говорится, измерения, которые они уже установили, являются их собственной вехой, которая может способствовать более быстрому ускорению исследований и применений квантовых точек.

«Люди, работающие над этими материалами с квантовыми точками, уже более десяти лет думают, что точки могут быть такими же эффективными, как монокристаллические материалы, — сказал Ханифи, — и теперь у нас наконец есть доказательства».

Источник информации: https://phys.org/news/2019-03-near-perfect-low-cost-semiconductors.html#jCp

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...