Une nouvelle plate-forme du MIT permet aux chercheurs de « cultiver » des nanocristaux de pérovskite halogénée en contrôlant précisément l’emplacement et la taille de chaque cristal, pour les intégrer dans des diodes électroluminescentes à l’échelle nanométrique. La photo représente un réseau de nanocristaux émettant de la lumière. Crédit : avec l’aimable autorisation de Sampson Wilcox, RLE
Une nouvelle technique permet de produire des nanocristaux de pérovskite à l’endroit voulu, de sorte que ces matériaux extrêmement délicats peuvent être intégrés dans des dispositifs à l’échelle nanométrique.
Des chercheurs du MIT ont mis au point une méthode révolutionnaire pour faire croître avec précision des nanocristaux de pérovskite d’halogénure, éliminant ainsi la nécessité de recourir à des techniques de fabrication préjudiciables. Cette technique facilite le développement de nanoLEDs et d’autres dispositifs fonctionnels à l’échelle nanométrique, ce qui pourrait permettre des avancées dans les domaines de la communication optique, de l’informatique et de la technologie d’affichage à haute résolution.
Les pérovskites halogénés sont une famille de matériaux qui ont attiré l’attention pour leurs propriétés optoélectroniques supérieures et leurs applications potentielles dans des dispositifs tels que les cellules solaires à haute performance, les diodes électroluminescentes et les lasers.
Ces matériaux ont été largement mis en œuvre dans des applications de dispositifs à couche mince ou de taille micrométrique. L’intégration précise de ces matériaux à l’échelle nanométrique pourrait ouvrir la voie à des applications encore plus remarquables, comme les sources lumineuses sur puce, les photodétecteurs et les memristors. Toutefois, la réalisation de cette intégration reste un défi, car ce matériau délicat peut être endommagé par les techniques conventionnelles de fabrication et de modelage.
Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs du MIT ont créé une technique qui permet de cultiver sur place des nanocristaux de pérovskite à base d’halogénure, à l’endroit voulu, avec un contrôle précis de l’emplacement, à moins de 50 nanomètres près. (Une feuille de papier a une épaisseur de 100 000 nanomètres.) Cette technique permet également de contrôler avec précision la taille des nanocristaux, ce qui est important car la taille influe sur leurs caractéristiques. Étant donné que le matériau est cultivé localement avec les caractéristiques souhaitées, il n’est pas nécessaire de procéder à des étapes de structuration lithographique conventionnelle susceptibles d’entraîner des dommages.
Les réseaux de nanoLEDs, comme celui illustré ici, pourraient avoir des applications dans les domaines de la communication et de l’informatique optiques, des microscopes sans lentille, de nouveaux types de sources de lumière quantique et des écrans haute densité et haute résolution pour la réalité augmentée et virtuelle. Crédit : avec l’aimable autorisation des chercheurs
La technique est également évolutive, polyvalente et compatible avec les étapes de fabrication conventionnelles, ce qui permet d’intégrer les nanocristaux dans des dispositifs fonctionnels à l’échelle nanométrique. Les chercheurs ont utilisé cette technique pour fabriquer des réseaux de diodes électroluminescentes nanométriques (nanoLED), de minuscules cristaux qui émettent de la lumière lorsqu’ils sont activés électriquement. Ces réseaux pourraient avoir des applications dans les domaines de la communication et de l’informatique optiques, des microscopes sans lentille, de nouveaux types de sources de lumière quantique et des écrans haute densité et haute résolution pour la réalité augmentée et virtuelle.
« Comme le montrent nos travaux, il est essentiel de développer de nouveaux cadres d’ingénierie pour l’intégration des nanomatériaux dans des nanodispositifs fonctionnels. En dépassant les limites traditionnelles de la nanofabrication, de l’ingénierie des matériaux et de la conception de dispositifs, ces techniques peuvent nous permettre de manipuler la matière à l’échelle nanométrique extrême, ce qui nous aidera à réaliser des plateformes de dispositifs non conventionnelles importantes pour répondre aux besoins technologiques émergents », explique Farnaz Niroui, professeur assistant de développement de carrière EE Landsman en génie électrique et informatique (EECS), membre du Laboratoire de recherche en électronique (RLE) et auteur principal d’un nouvel article décrivant les travaux.
Les coauteurs de Niroui sont Patricia Jastrzebska-Perfect, étudiante diplômée en EECS, Weikun « Spencer » Zhu, étudiant diplômé du département de génie chimique, Mayuran Saravanapavanantham, Sarah Spector, Roberto Brenes et Peter Satterthwaite, tous étudiants diplômés en EECS, Zheng Li, postdoc du RLE, et Rajeev Ram, professeur d’ingénierie électrique. La recherche a été publiée le 6 juillet dans la revue Nature Communications.
Sommaire
Cristaux minuscules, défis énormes
L’intégration des pérovskites d’halogénure dans des dispositifs nanométriques sur puce est extrêmement difficile en utilisant les techniques conventionnelles de fabrication à l’échelle nanométrique. Dans une approche, un film mince de pérovskites fragiles peut être modelé à l’aide de procédés lithographiques, qui nécessitent des solvants susceptibles d’endommager le matériau. Dans une autre approche, des cristaux plus petits sont d’abord formés en solution, puis prélevés et placés à partir de la solution dans le motif souhaité.
« Dans les deux cas, il y a un manque de contrôle, de résolution et de capacité d’intégration, ce qui limite les possibilités d’extension du matériau aux nanodispositifs », explique M. Niroui.
Au lieu de cela, elle et son équipe ont mis au point une approche permettant de « faire pousser » des cristaux de pérovskite halogénée à des endroits précis, directement sur la surface souhaitée où le nanodispositif sera ensuite fabriqué.
La localisation de la solution utilisée pour la croissance des nanocristaux est au cœur de leur processus. Pour ce faire, ils créent un modèle à l’échelle nanométrique avec de petits puits qui contiennent le processus chimique par lequel les cristaux se développent. Ils modifient la surface du modèle et l’intérieur des puits, en contrôlant une propriété connue sous le nom de « mouillabilité », de sorte qu’une solution contenant de la pérovskite ne s’accumule pas à la surface du modèle et soit confinée à l’intérieur des puits.
« Maintenant, vous avez ces réacteurs très petits et déterministes à l’intérieur desquels le matériau peut se développer », dit-elle.
Et c’est exactement ce qui se passe. Ils appliquent une solution contenant un matériau de croissance de pérovskite halogénée sur le modèle et, à mesure que le solvant s’évapore, le matériau croît et forme un minuscule cristal dans chaque puits.
Une technique polyvalente et adaptable
Les chercheurs ont découvert que la forme des puits joue un rôle essentiel dans le contrôle du positionnement des nanocristaux. Si l’on utilise des puits carrés, en raison de l’influence des forces à l’échelle nanométrique, les cristaux ont une chance égale d’être placés dans chacun des quatre coins du puits. Pour certaines applications, cela peut suffire, mais pour d’autres, il est nécessaire d’avoir une plus grande précision dans le placement des nanocristaux.
En modifiant la forme du puits, les chercheurs sont parvenus à manipuler ces forces à l’échelle nanométrique de manière à ce qu’un cristal soit placé de préférence à l’endroit souhaité.
Lorsque le solvant s’évapore à l’intérieur du puits, le nanocristal subit un gradient de pression qui crée une force directionnelle, la direction exacte étant déterminée par la forme asymétrique du puits.
« Cela nous permet d’avoir une très grande précision, non seulement dans la croissance, mais aussi dans la mise en place de ces nanocristaux », explique M. Niroui.
Les chercheurs ont également découvert qu’ils pouvaient contrôler la taille du cristal qui se forme à l’intérieur d’un puits. En modifiant la taille des puits pour y introduire plus ou moins de solution de croissance, on obtient des cristaux plus ou moins grands.
Ils ont démontré l’efficacité de leur technique en fabriquant des réseaux précis de nanoLEDs. Dans cette approche, chaque nanocristal est transformé en un nanopixel qui émet de la lumière. Ces réseaux de nanoLED à haute densité pourraient être utilisés pour la communication optique et l’informatique sur puce, les sources de lumière quantique, la microscopie et les écrans à haute résolution pour les applications de réalité augmentée et virtuelle.
À l’avenir, les chercheurs souhaitent explorer d’autres applications potentielles pour ces minuscules sources lumineuses. Ils souhaitent également tester les limites de la taille de ces dispositifs et travailler à leur intégration efficace dans des systèmes quantiques. Au-delà des sources de lumière à l’échelle nanométrique, le processus ouvre également d’autres possibilités de développement de nanodispositifs sur puce à base de pérovskite d’halogénure.
Leur technique permet également aux chercheurs d’étudier plus facilement les matériaux au niveau du nanocristal individuel, ce qui, ils l’espèrent, incitera d’autres personnes à mener des études supplémentaires sur ces matériaux et d’autres matériaux uniques.
« L’étude de matériaux à l’échelle nanométrique par des méthodes à haut débit exige souvent que les matériaux soient localisés avec précision et conçus à cette échelle », ajoute Mme Jastrzebska-Perfect. « En permettant ce contrôle localisé, notre technique peut améliorer la façon dont les chercheurs étudient et ajustent les propriétés des matériaux pour diverses applications.
« L’équipe a mis au point une méthode très intelligente pour la synthèse déterministe de nanocristaux de pérovskite individuels sur des substrats. Ils peuvent contrôler l’emplacement exact des nanocristaux à une échelle sans précédent, ce qui permet de créer une plateforme pour la fabrication de LED nanométriques très efficaces basées sur des nanocristaux individuels », explique Ali Javey, professeur de génie électrique et d’informatique à l’université de Californie à Berkeley, qui n’a pas été impliqué dans cette recherche. « Il s’agit d’un travail passionnant car il permet de relever un défi fondamental dans ce domaine.
Référence : « On-site growth of perovskite nanocrystal arrays for integrated nanodevices » par Patricia Jastrzebska-Perfect, Weikun Zhu, Mayuran Saravanapavanantham, Zheng Li, Sarah O. Spector, Roberto Brenes, Peter F. Satterthwaite, Rajeev J. Ram et Farnaz Niroui, 6 juillet 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-39488-0
Ce travail a été soutenu, en partie, par la National Science Foundation et le MIT Center for Quantum Engineering.