科学家发现来用晶体和光按需生长材料的新方法

By Keith Cooper published 39 minutes ago

Technology

这一新进展用一种叫等离子体加热的现象使更精确的晶体形成成为可能。

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 密歇根州立大学的哈莱尔（Elad Harel）用激光设备来“画”晶体。(Image credit: Paul Henderson, Finn Gomez/College of Natural Science.)

用于像激光器、LED和在天文仪器传感器中用的半导体等各种应用中的晶体有朝一日可能被“画”而不是“生长”，导致更高性能和更低成本。

由密歇根州立大学的哈莱尔领导的一个团队已经用激光来加热金纳米粒子，这然后在一种卤化铅钙钛矿溶液中触发晶体形成。通过再次使用激光移动金纳米粒子，理论上来精确的将晶体“画”在它们在一个电子装置中需要是的地方因此是可能的。

电子产品中使用的晶体传统上被通过各种技术制成，例如蒸汽扩散即晶体出自一种溶液沉淀或者通过种植一种晶体“种子”然后观察它生长。然而这些方法是不准确的，导致晶体形成有点随意的，并不总是刚好在正确的位置或正确的形状或尺寸。

哈莱尔告诉太空网站：“在一个装置中人们可能需要非常少量的晶体材料被放在非常特定的放置”。

哈莱尔的新技术利用了一种叫“等离子体加热”的现象，能够来重新控制晶体的形成。在实验室实验中，哈莱尔的团队向在一个硼硅酸盐玻璃基板上充满卤化铅钙钛矿前体溶液的反应室中的金纳米粒子发射了660纳米波长的激光，在该基板上晶体将被“画出”。

金纳米粒子是微小的，不到人类头发宽度的千分之一。因此，整个过程必须是极端精确的，并且能被使用帧速率为亚毫秒级的高速显微镜实时观察。

哈莱尔说：“我们使用金纳米粒子的原因是它们像小加热器一样行为。当一束激光以正确的频率照射粒子时它造成金中的电子来振荡这产生热” 。

这是等离子体加热，它驱动前体溶液在哈莱尔团队想要它是的确切位置结晶化。

卤化铅钙钛矿晶体在太阳能电池和LED中展示高性能，但它们并不是用在电子产品中唯一类型的晶体。例如，詹姆斯·韦伯太空望远镜上的中红外仪器（MIRI）中的半导体包含掺砷硅晶体。哈莱尔希望这种等离子体加热技术能被应用到其他此类晶体，但它对卤化铅钙钛矿特别的起作用，因为它们有一些相当不寻常的属性。

他说：“关于这些钙钛矿特殊的是随着温度增加溶解度降低，这诱导结晶化”。大多数材料不展示这种逆溶解属性；典型的随温度增加溶解度增加。

在这张高速显微镜镜头中，捕捉到一束激光击中金纳米粒子触发结晶化。 (Image credit: Harel Lab MSU)

然而，可能有一种绕过这个位于抖动、激发的电子的方法。按照哈莱尔除了产生热电子原则上还可以直接的参与晶体形成的化学，鼓励晶体形成。

他说：“我们确实需要做更多的工作来将这一概念推广到其他材料，但我们相信它将起作用”。

更便宜、更快、更精确的晶体形成的优点是清楚的来看的。晶体无处不在被用，从触摸屏、烟雾报警器、太阳能电池板、医学成像设备一般光电子和光电探测器。

哈莱尔说：“这是一种用低成本激光器的非常简单的方法。它还巨大节省制造的成本，因为晶体当它被需要时可以被准确地放置在它是的地方上” 。

鉴于晶体对天文传感的重要性，画它们的技术甚至可以在未来看到更低成本的仪器在太空使命中发射。

下一步是用跨各种波长的多个激光器来尝试和“画”更复杂的晶体的图案，然后开始在真实设备中测试它们来看它们是否真的能以更低成本提供一个更好的性能标准。哈莱尔说：“这是某些我们现在正工作在上的事情。”。

这种“画”晶体的新技术被发表在《ACS Nano》杂志上