软半导体或将迎来下一代纳米像素高清显示器

作者：Jean-Jacques DeLisle，特约撰稿人

为了迎来下一代高清显示技术，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的一个研究团队开发出了由软半导体构建的新型发光纳米线技术。该团队能够从单根纳米线开发出红、绿、蓝 (RGB) 光发射器和低至 500 纳米的纳米线。为了进行比较，Apple 的旗舰视网膜显示器可以达到每英寸约 400 像素，每像素大约为 60 微米。伯克利实验室的研究人员能够制造出每英寸可以达到大约 50.000 像素的光发射器，超过两个数量级。

在这种尺寸下，这项新技术可以与最新的量子点技术竞争，后者仍然使用发光的标准半导体纳米晶体。尽管研究演示侧重于光发射，但“软”半导体纳米线异质结器件技术可能不仅仅适用于显示应用，还可能成为未来光伏、固态照明、多色 LED 激光器和其他切割领域的主要参与者。边缘光电应用。此外，同样的技术在高密度二极管和晶体管阵列中也可能是可行的，为许多超越最先进的应用打开了大门。

此图比较了在紫外激发下由溴化铯铅 (CsPbBr 3 )-氯化铅铯 (CsPbCl 3 ) 异质结半导体（上图）和碘化铅铯 (CsPbI 3 )-溴化铯铅-氯化铅 (底部面板）在紫外激发下的红色、蓝色和绿色配置。图片来源：Letian Dou/伯克利实验室和 Connor G. Bischak/加州大学伯克利分校.

这项新技术的支柱是使用卤化物钙钛矿纳米线异质结，它由离子键的晶格结构组成，而不是像传统半导体那样的共价键。被称为“软”半导体的离子键比“更硬”的共价键更容易操作。

在pnas.org上发表的报告中，伯克利实验室材料科学部的高级教授杨培东说：“使用无机卤化物钙钛矿，我们可以轻松地交换离子键中的阴离子，同时保持材料的单晶性质。这使我们能够轻松地重新配置材料的结构和组成。这就是为什么卤化物钙钛矿被认为是软晶格半导体。相比之下，共价键相对稳健，需要更多的能量来改变。我们的研究基本上表明，我们几乎可以改变这种软半导体任何部分的组成。”

这意味着研究人员能够使用具有阴离子交换化学的纳米制造技术将铯铅卤化钙钛矿的卤离子交换为溴化铯或氯化铯，从而改变颜色发射。交换阴离子所需的特殊化学浸泡也可以在标准实验室室温下进行，不需要其他半导体工艺所需的精密高温热控制和真空环境。

“这是一个简单的过程，而且很容易扩大规模，”杨说。“你不需要在洁净室里呆很长时间，也不需要高温。” 

这一发现的重要方面是研究人员声称他们能够在整个可见光谱范围内“调整”材料，也许最重要的是，这项技术的处理可能比标准胶体半导体简单得多。这可能意味着这些软半导体可以以相对更高的产量和更少的加工步骤制造，这可能意味着更低的成本和更少的浪费。

“对于传统的半导体来说，制造结非常复杂和昂贵，”杨的实验室和研究的博士后研究员、共同主要作者窦乐天在报告中说。“通常涉及高温和真空条件来控制材料的生长和掺杂。精确控制材料的成分和性能也具有挑战性，因为传统的半导体由于强共价键而变得坚硬。”

尽管该材料仍需要大量开发，其中包括改进的分辨率和作为电路组件的集成/表征，但该材料显示出早期的前景。这种方法还与许多高度宣传、研究和现有技术竞争。如果该材料甚至可以提供与当前技术相当的显示器、二极管和晶体管性能，但提供更高的产量和更低的加工成本，那么具有卤化物钙钛矿异质结的软半导体可能会在未来的智能手机、智能手表、增强现实和虚拟现实显示器中找到它们的用途技术以及许多其他照明和电子应用。

审核编辑 黄昊宇