بلورهای ریز، چالش‌های بزرگ
پروسکایت‌های هالیدی، یک خانواده از مواد هستند که به دلیل ویژگی‌های اپتوالکترونیکی بسیار عالی کاربردهای بالقوه‌ای در ساخت سلول‌های خورشیدی با عملکرد بالا، دیودهای LED و لیزرها دارند و از این رو توجه پژوهشگران را به خود جلب کرده‌اند. این مواد به طور عمده در دستگاه‌هایی با ساختار بسیار نازک یا در ابعاد میکرونی به کار رفته‌اند. مجتمع‌سازی دقیق این مواد و استفاده از آنها در مقیاس نانو می‌تواند کاربردهای بیشتر و بی‌نظیرتری ، از جمله منابع نور داخل تراشه‌ای، آشکارسازهای فوتونی و ممریستورها را ممکن سازد. به دلیل حساسیت این مواد و آسیب‌پذیری آنها در روش‌های معمول ساخت، دستیابی به این مهم چالش‌های خود را دارد.
برای پیش‌برد این مشکل، محققان دانشگاه MIT یک تکنیک ابداع کردند که این امکان را فراهم می‌سازد تا نانوکریستال‌های پروسکایت هالیدی را به صورت مجزا در محل مورد نیاز با کنترل دقیق بر مکان و با دقت کمتر از 50 نانومتر رشد دهند. در این روش اندازه نانوکریستال‌ها که خصوصیت‌های آنها را مشخص می‌کند، به دقت کنترل می‌شود. از آن‌جا که در این روش ماده به صورت محلی با ویژگی‌های مورد نظر رشد می‌کند، استفاده از مراحل الگوگذاری لیتوگرافی معمولی که ممکن است به ماده آسیب برسانند، نیاز نیست. مقیاس‌پذیری و کارکرد چندمنظوره این روش، امکان مجتمع‌سازی نانوکریستال‌ها را فراهم می‌سازد.
پژوهشگران از این روش برای ساخت آرایه‌هایی از دیودهای نوری در ابعاد نانو (نانو LEDها) استفاده کردند، بلورهای نازکی که با اعمال سیگنال الکتریکی، نور منتشر می‌کنند. چنین آرایه‌ها می‌توانند کاربردهایی در مخابرات نوری، محاسبات نوری، میکروسکوپ‌های بدون عدسی، انواع جدیدی از منابع نور کوانتومی و نمایشگرهای با وضوح بالا برای واقعیت مجازی داشته باشند.
فرناز نیرویی، استادیار و عضو آزمایشگاه تحقیقات الکترونیک (RLE) و نویسنده اصلی مقاله جدیدی که این کار را شرح می‌دهد، می‌گوید: “توسعه روش‌های مهندسی جدید برای مجتمع‌سازی نانومواد در ادوات با ابعاد نانو عملکردی بسیار حیاتی است. با عبور از مرزهای سنتی مهندسی مواد و طراحی ادوات، این روش‌ها به ما اجازه می‌دهند تا رشد ماده را در ابعاد نانومتری کنترل کنیم و باعث می‌شود تا به ساختار‌هایی غیر مرسوم اما عملیاتی برای تأمین نیازهای فناوری‌های نوپدید دست یابیم.”
مجتمع‌سازی پروسکایت‌های هالیدی در ادوات با ابعاد نانو در درون تراشه‌ها با استفاده از تکنیک‌های مرسوم ساخت بسیار دشوار است. در یک روش مرسوم، لایه نازکی از پروسکایت‌ها با استفاده از فرآیندهای لیتوگرافی الگوگذاری می‌شوند که در این روش نیاز است از حلال‌هایی استفاده شود، که ممکن است به ماده آسیب برسانند. در یک رویکرد دیگر، ابتدا بلورهای کوچک در محلول رشد می‌کنند و سپس مطابق الگوی موردنظر چیده می‌شوند. اما بر طبق صحبت خانم نیرویی، “در هر دو مورد، کنترل‌پذیری پایین، وضوح و قابلیت مجتمع‌سازی محدودی وجود دارد که ساخت ادوات مجتمع با ابعاد نانو را پرچالش می‌کند.” به جای آن، او و تیمش یک رویکرد برای رشد بلورهای پروسکایت هالیدی در مکان‌های دقیق روی سطح مورد نظر که در آن ادوات با ابعاد نانو ساخته خواهد شد، توسعه دادند.
ایده اصلی فرآیند آنها، محدود کردن محلولی است که در رشد نانوکریستال‌ها استفاده می‌شود. برای انجام این کار، یک الگو با ابعاد نانو و چاه‌های کوچک ایجاد می‌کنند که فرآیند شیمیایی رشد بلورها از طریق آن انجام می‌شود. آنها سطح داخل چاه و الگوها را تغییر می‌دهند و یک خاصیت به نام ترشوندگی1 را کنترل می‌کنند، به طوری که محلول حاوی مواد پروسکایت روی سطح الگو جمع نشود و در داخل چاه‌ها محدود شود. خانم نیرویی این عملیات را این‌گونه تشریح می‌کند، “حالا راکتورهای بسیار کوچکی دارید که مکان آن مشخص و قطعی است و در داخل آنها ماده می‌تواند رشد کند” و دقیقاً همین اتفاق می‌افتد. آنها محلولی حاوی مواد رشد پروسکایت هالیدی را به این الگوی با مقیاس نانو اعمال می‌کنند و هنگامی که حلال بخار می‌شود، ماده رشد می‌کند و در هر چاه یک بلور ریز شکل می‌گیرد.
پژوهشگران متوجه شدند که شکل چاه‌ها نقش حیاتی در کنترل موقعیت نانوکریستال‌ها دارد. هنگامی که حلال در داخل چاه بخار می‌شود، نانوکریستال‌ها یک گرادیان فشار در داخل چاه را تجربه می‌کند که نیروی جهت‌داری را ایجاد می‌کند و جهت دقیق این نیرو با استفاده از شکل نامتقارن چاه تعیین می‌شود. اگر از چاه‌های مربعی استفاده شود، به دلیل تأثیر نیروهای در ابعاد نانو، بلورها به طور یکسان در هر یک از چهار گوشه چاه قرار می‌گیرند. برای برخی از کاربردها، این ممکن است کافی باشد، اما برای کابردهای دیگر لازم است دقت بیشتری در قرارگیری نانوکریستال‌ها در نظر گرفته شود. با تغییر شکل چاه، محققان توانستند نیروهای در ابعاد نانو را به گونه‌ای مهندسی کنند که یک بلور در مکان‌های خواسته شده، قرار گیرد. به گفته خانم نیرویی، “این به ما اجازه می‌دهد در رشد و قرارگیری این نانوکریستال‌ها دقت بسیار بالا داشته باشیم”
خانم دکتر نیرویی و تیمش اثربخشی روش خود را با ساخت آرایه‌های دقیق از نانوLEDها نشان دادند. در این رویکرد، هر نانوکریستال به یک نانوپیکسل تبدیل می‌شود که نور ارسال می‌کند. این آرایه‌های نانوLED با چگالی بالا می‌توانند برای مخابرات و محاسبات نوری درون تراشه‌ای، منابع نور کوانتومی، فرآیندهای میکروسکوپی و نمایشگرهای با وضوح بالا برای کاربردهای واقعیت مجازی استفاده شوند. در آینده، پژوهشگران می‌خواهند کاربردهای بیشتری برای این منابع نور بسیار ریز را بررسی کنند. آنها همچنین می‌خواهند ابعاد ادوات را تا جایی که ممکن است کوچک کنند و به مرز محدودیت‌ها برسند و به طور مؤثر آنها را در سیستم‌های کوانتومی یکپارچه کنند.