Μια ερευνητική ομάδα από την Κίνα και τις ΗΠΑ ανακοίνωσε την ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου κατασκευής ημιαγωγών, η οποία, όπως αναφέρουν, “ανοίγει εντελώς νέους δρόμους” για τη δημιουργία συσκευών υψηλής απόδοσης που εκπέμπουν φως και ολοκληρωμένων συσκευών. Η καινοτόμος αυτή διαδικασία αναμένεται να ξεπεράσει τις συμβατικές μηχανές λιθογραφίας, που αποτελούν τον κύριο τρόπο παραγωγής των ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται στα περισσότερα ηλεκτρονικά είδη σήμερα.
Στην παραδοσιακή λιθογραφία, όταν μια μηχανή χαράζει ένα τσιπ, το λέιζερ χτυπά το υλικό κάθετα. Αν το φως ταξιδέψει οριζόντια, προκαλεί ανεξέλεγκτες ζημιές, ιδιαίτερα σε μαλακά υλικά όπως τα περοβσκίτητα αλογόνου του μολύβδου (lead halide perovskites). Αυτά τα υλικά αποτελούν έναν πολύ ελπιδοφόρο τομέα για τους ημιαγωγούς, λόγω των εξαιρετικών τους οπτοηλεκτρονικών ιδιοτήτων σε μορφή κρυσταλλικού πλέγματος δύο διαστάσεων. Ωστόσο, η ακριβής κατεργασία τους είναι δύσκολη, εξαιτίας της μαλακής και ασταθούς φύσης τους σε 2D.
Η νέα μέθοδος, ωστόσο, δημιουργεί πλευρικές μικροδομές σε αυτούς τους περοβσκίτες με ελεγχόμενο τρόπο, προσθέτοντας μια νέα διάσταση που θα μπορούσε να οδηγήσει σε επαναστατικές βελτιώσεις της απόδοσης των ημιαγωγών. Η διεθνής ομάδα δήλωσε ότι ανέπτυξε μια νέα τεχνική “αυτο-διάβρωσης” που κατέστησε δυνατή την πρώτη στον κόσμο κατασκευή περίπλοκων δομών σε εξαιρετικά λεπτά υλικά περοβσκίτη, χωρίς να καταστρέφει τη δομή τους.
Οι παραδοσιακές μέθοδοι επεξεργασίας ημιαγωγών, όπως η φωτολιθογραφία (μια τεχνική που χρησιμοποιεί φως για τη δημιουργία προτύπων στα υλικά) ή ισχυροί διαλύτες, μπορούν να είναι υπερβολικά σκληρές για τους 2D περοβσκίτες. Για να αντιμετωπιστεί αυτή η πρόκληση, η διεθνής ερευνητική ομάδα ανέπτυξε μια πιο ήπια προσέγγιση, την “αυτο-διάβρωση”.
Η τεχνική αυτή, την οποία η ομάδα περιγράφει ως “υπέρβαση των περιορισμών της παραδοσιακής δεξιοτεχνίας”, θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για πιο αποδοτικές και προηγμένες οπτοηλεκτρονικές συσκευές με εκτεταμένες εφαρμογές σε τομείς όπως τα ηλιακά κύτταρα, οι διόδους εκπομπής φωτός (LED) και οι φωτοανιχνευτές. Η μελέτη, που διεξήχθη από ερευνητές του University of Science and Technology of China (USTC) στην ανατολική Κίνα, του ShanghaiTech University και του Purdue University στις Ηνωμένες Πολιτείες, δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature στις 14 Ιανουαρίου.
Η συμβατική βιομηχανία μικρο-νανοκατασκευών, η οποία βασίζεται σε παραδοσιακές διαδικασίες ημιαγωγών, εξαρτάται ιδιαίτερα από την EUV (extreme ultraviolet lithography) και τον εξελιγμένο εξοπλισμό διάβρωσης για προηγμένες τεχνικές, σύμφωνα με έναν Κινέζο ειδικό σε ολοκληρωμένο σχεδιασμό ημιαγωγών συσκευών σε μια κορυφαία ευρωπαϊκή εταιρεία. “Ωστόσο, το κόστος αυξάνεται εκθετικά καθώς οι συσκευές κλιμακώνονται προς τα κάτω”, δήλωσε ο ειδικός, ο οποίος ζήτησε να μην κατονομαστεί. “Αυτό το άρθρο παρουσιάζει μια νέα προγραμματιζόμενη προσέγγιση κατασκευής, η οποία έχει ζωτική σημασία για την εξερεύνηση πιο αποδοτικών και ακριβών πλατφορμών αυτο-συναρμολόγησης στο μέλλον, συμβάλλοντας παράλληλα στην πρόοδο των βιώσιμων τεχνολογιών ημιαγωγών.”
Ο Zhang Shuchen, επιστήμονας υλικών από το USTC και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, δήλωσε στην κρατική ειδησεογραφική υπηρεσία Xinhua στις 16 Ιανουαρίου ότι η μελέτη άνοιξε “μια νέα υλική πλατφόρμα και οδός σχεδιασμού για υψηλής απόδοσης φωτεινές και οθονικές συσκευές”. Αυτή η τεχνική “αυτο-διάβρωσης” αξιοποιεί την εσωτερική τάση που συσσωρεύεται στον κρύσταλλο του περοβσκίτη κατά την ανάπτυξή του. Αυτό μπορεί να φανταστεί κανείς σαν την εκμετάλλευση μιας υπάρχουσας γραμμής ρήγματος σε ένα βράχο για τη δημιουργία ελεγχόμενων θραύσεων.
Για να ενεργοποιηθεί η εσωτερική τάση, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα ήπιο διάλυμα που ονομάζεται ligand-isopropyl alcohol (IPA) για να προκαλέσει διάβρωση σε συγκεκριμένες θέσεις εντός των κρυστάλλων, δημιουργώντας ομοιόμορφες τετράγωνες οπές στο υλικό. Αφού δημιουργήθηκαν οι οπές, οι ερευνητές γέμισαν τις κοιλότητες με άλλους περοβσκίτες διαφορετικών χημικών συνθέσεων. Αυτό δημιούργησε ομαλές πλευρικές ετεροενώσεις – διεπιφάνειες μεταξύ δύο διακριτών περιοχών ημιαγωγών – σε ατομικό επίπεδο. Με βάση αυτό, οι ερευνητές θα μπορούσαν να σχεδιάσουν μονάδες τύπου pixel με ρυθμιζόμενο χρώμα εκπομπής και φωτεινότητα. Το αποτέλεσμα ήταν ένα μονοκρυσταλλικό δισκοειδές (wafer) που περιείχε ένα “ψηφιδωτό” από διαφορετικά υλικά περοβσκίτη, το καθένα με τις δικές του ιδιότητες εκπομπής φωτός. Σύμφωνα με το Xinhua, αυτός ο ακριβής έλεγχος και σχεδιασμός αντιπροσωπεύει “ένα κρίσιμο βήμα” προς τη δημιουργία μικροσκοπικών, αποδοτικών οπτοηλεκτρονικών συσκευών, όπως οθόνες και LED.
