研究人员测量低成本半导体中近乎完美的性能

2019-06-12 20:37:12

微小的,易于生产的颗粒,称为量子点,可能很快就会取代太阳能电池板,相机传感器和医学成像工具中的先进电子设备中更昂贵的单晶半导体。虽然量子点已经开始打入消费市场 - 以量子点电视的形式 - 但它们的质量长期存在不确定性。现在,斯坦福大学研究人员开发的一种新的测量技术可能最终消除这些疑虑。

“传统半导体是单晶,在特殊条件下真空生长。这些我们可以在烧瓶中,在实验室中大量生产,我们已经证明它们和最好的单晶一样好,“斯坦福大学化学系研究生兼该论文的共同主要作者David Hanifi说。这项工作, 发表 在 科学。

研究人员专注于量子点如何有效地重新发射它们吸收的光,这是半导体质量的一个标志性衡量指标。虽然之前尝试计算量子点效率暗示了高性能,但这是第一种可靠地表明它们可以与单晶竞争的测量方法。

这项工作是斯坦福大学材料科学与工程教授Alberto Salleo实验室与加州大学伯克利分校三星纳米科学与纳米技术杰出教授Paul Alivisatos 合作的结果 ,他是量子的先驱。 dot研究和该论文的共同高级作者。Alivisatos强调了测量技术如何能够开发出需要深入了解半导体效率的新技术和新材料。

“这些材料非常有效,现有的测量结果无法量化它们的优质程度。这是一次巨大的飞跃,“Alivisatos说。“有朝一日,有些应用可能需要发光效率远高于99%的材料,其中大部分尚未发明。”

99到100之间

能够放弃对昂贵的制造设备的需求并不是量子点的唯一优势。甚至在这项工作之前,有迹象表明量子点可以接近或超过一些最好的晶体的性能。它们也是高度可定制的。改变它们的大小会改变它们发出的光的波长,这是基于颜色的应用的有用特征,例如标记生物样本,电视或计算机监视器。

尽管有这些积极的品质,量子点的小尺寸意味着它可能需要数十亿的才能完成一个大而完美的单晶的工作。制造如此多的量子点意味着更多的机会不正确地增长,更多的机会可能会妨碍性能。测量其他半导体质量的技术以前曾建议量子点发出超过99%的光吸收,但这还不足以回答有关其潜在缺陷的问题。为此,研究人员需要一种更适合精确评估这些粒子的测量技术。

“我们希望测量的发射效率在99.9%到99.999%之间,因为如果半导体能够重新发射它们所吸收的每个光子,那么你就可以做真正有趣的科学并制造以前不存在的设备,”Hanifi说。

研究人员的技术包括检查通电量子点产生的多余热量,而不仅仅是评估光发射,因为过热是低效发射的标志。这种通常用于其他材料的技术从未用于以这种方式测量量子点,它的精确度是过去其他材料的100倍。他们发现,量子点组可靠地发射了它们吸收的光的99.6%(在任一方向上的潜在误差为0.2%),这与最佳的单晶发射相当。

“令人惊讶的是,一部具有许多潜在缺陷的电影与你能制作的最完美的半导体一样出色,”该论文的共同高级作者萨莱说。

与担忧相反,结果表明量子点具有惊人的耐缺陷性。测量技术也是第一个牢固地解决不同量子点结构如何相互比较的方法 - 具有精确八个原子层的特殊涂层材料的量子点发光最快,这是卓越品质的指标。Alivisatos说,这些圆点的形状应该指导新发光材料的设计。

完全新技术

该研究是能源部资助的能源前沿研究中心内一系列项目的一部分,称为 热力学极限光子学。在斯坦福大学材料科学与工程副教授Jennifer Dionne的带领下 ,该中心的目标是创造光学材料 - 影响光流的材料 - 以最高的效率。

该项目的下一步是开发更精确的测量。如果研究人员能够确定这些材料的效率达到或超过99.999%,那么这就开辟了我们以前从未见过的技术的可能性。这些可能包括新的发光染料,以提高我们在原子尺度上观察生物学的能力,发光冷却和发光太阳能聚光器,它允许相对较小的一组太阳能电池从大面积的太阳辐射中获取能量。所有这些都说明了,他们已经建立的测量结果是他们自己的里程碑,可能会促使量子点研究和应用更加直接。

“使用这些量子点材料的人们已经想到十多年来,点可以像单晶材料一样高效,”Hanifi说,“现在我们终于有了证据。”