研究人員測量低成本半導體中近乎完美的性能

2019-06-12 20:37:12

微小的,易于生產的顆粒,稱為量子點,可能很快就會取代太陽能電池板,相機傳感器和醫學成像工具中的先進電子設備中更昂貴的單晶半導體。雖然量子點已經開始打入消費市場 - 以量子點電視的形式 - 但它們的質量長期存在不確定性。現在,斯坦福大學研究人員開發的一種新的測量技術可能最終消除這些疑慮。

“傳統半導體是單晶,在特殊條件下真空生長。這些我們可以在燒瓶中,在實驗室中大量生產,我們已經證明它們和最好的單晶一樣好,“斯坦福大學化學系研究生兼該論文的共同主要作者David Hanifi說。這項工作, 發表 在 科學。

研究人員專注于量子點如何有效地重新發射它們吸收的光,這是半導體質量的一個標志性衡量指標。雖然之前嘗試計算量子點效率暗示了高性能,但這是第一種可靠地表明它們可以與單晶競爭的測量方法。

這項工作是斯坦福大學材料科學與工程教授Alberto Salleo實驗室與加州大學伯克利分校三星納米科學與納米技術杰出教授Paul Alivisatos 合作的結果 ,他是量子的先驅。 dot研究和該論文的共同高級作者。Alivisatos強調了測量技術如何能夠開發出需要深入了解半導體效率的新技術和新材料。

“這些材料非常有效,現有的測量結果無法量化它們的優質程度。這是一次巨大的飛躍,“Alivisatos說。“有朝一日,有些應用可能需要發光效率遠高于99%的材料,其中大部分尚未發明。”

99到100之間

能夠放棄對昂貴的制造設備的需求并不是量子點的唯一優勢。甚至在這項工作之前,有跡象表明量子點可以接近或超過一些最好的晶體的性能。它們也是高度可定制的。改變它們的大小會改變它們發出的光的波長,這是基于顏色的應用的有用特征,例如標記生物樣本,電視或計算機監視器。

盡管有這些積極的品質,量子點的小尺寸意味著它可能需要數十億的才能完成一個大而完美的單晶的工作。制造如此多的量子點意味著更多的機會不正確地增長,更多的機會可能會妨礙性能。測量其他半導體質量的技術以前曾建議量子點發出超過99%的光吸收,但這還不足以回答有關其潛在缺陷的問題。為此,研究人員需要一種更適合精確評估這些粒子的測量技術。

“我們希望測量的發射效率在99.9%到99.999%之間,因為如果半導體能夠重新發射它們所吸收的每個光子,那么你就可以做真正有趣的科學并制造以前不存在的設備,”Hanifi說。

研究人員的技術包括檢查通電量子點產生的多余熱量,而不僅僅是評估光發射,因為過熱是低效發射的標志。這種通常用于其他材料的技術從未用于以這種方式測量量子點,它的精確度是過去其他材料的100倍。他們發現,量子點組可靠地發射了它們吸收的光的99.6%(在任一方向上的潛在誤差為0.2%),這與最佳的單晶發射相當。

“令人驚訝的是,一部具有許多潛在缺陷的電影與你能制作的最完美的半導體一樣出色,”該論文的共同高級作者薩萊說。

與擔憂相反,結果表明量子點具有驚人的耐缺陷性。測量技術也是第一個牢固地解決不同量子點結構如何相互比較的方法 - 具有精確八個原子層的特殊涂層材料的量子點發光最快,這是卓越品質的指標。Alivisatos說,這些圓點的形狀應該指導新發光材料的設計。

完全新技術

該研究是能源部資助的能源前沿研究中心內一系列項目的一部分,稱為 熱力學極限光子學。在斯坦福大學材料科學與工程副教授Jennifer Dionne的帶領下 ,該中心的目標是創造光學材料 - 影響光流的材料 - 以最高的效率。

該項目的下一步是開發更精確的測量。如果研究人員能夠確定這些材料的效率達到或超過99.999%,那么這就開辟了我們以前從未見過的技術的可能性。這些可能包括新的發光染料,以提高我們在原子尺度上觀察生物學的能力,發光冷卻和發光太陽能聚光器,它允許相對較小的一組太陽能電池從大面積的太陽輻射中獲取能量。所有這些都說明了,他們已經建立的測量結果是他們自己的里程碑,可能會促使量子點研究和應用更加直接。

“使用這些量子點材料的人們已經想到十多年來,點可以像單晶材料一樣高效,”Hanifi說,“現在我們終于有了證據。”