Accélérer les semi-conducteurs durables avec « Multielement Ink »

Les semi-conducteurs sont au cœur de presque tous les appareils électroniques. Sans semi-conducteurs, nos ordinateurs ne seraient pas capables de traiter et de conserver des données ; et les ampoules LED (diodes électroluminescentes) perdraient leur capacité à briller.

Mais la fabrication de semi-conducteurs nécessite beaucoup d’énergie. La formation de matériaux semi-conducteurs à partir de sable (oxyde de silicium) consomme une quantité importante d’énergie à forte intensité thermique, à des températures torrides d’environ 2 700 degrés Fahrenheit. Et le processus de purification et d’assemblage de toutes les matières premières entrant dans la fabrication d’un semi-conducteur peut prendre des semaines, voire des mois.

Un nouveau matériau semi-conducteur appelé « encre multi-éléments » pourrait rendre ce processus beaucoup moins gourmand en chaleur et plus durable. Développée par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l’UC Berkeley, « l’encre multi-éléments » est le premier semi-conducteur « à haute entropie » qui peut être traité à basse température ou à température ambiante. La percée a été récemment rapportée dans la revue Nature.

“La manière traditionnelle de fabriquer des dispositifs à semi-conducteurs est gourmande en énergie et constitue l’une des principales sources d’émissions de carbone”, a déclaré Peidong Yang, l’auteur principal de l’étude. Yang est chercheur principal à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de chimie, de science et d’ingénierie des matériaux à l’UC Berkeley. “Notre nouvelle méthode de fabrication de semi-conducteurs pourrait ouvrir la voie à une industrie des semi-conducteurs plus durable.”

Cette avancée tire parti de deux familles uniques de matériaux semi-conducteurs : les alliages durs constitués de semi-conducteurs à haute entropie ; et un matériau souple et flexible constitué de pérovskites aux halogénures cristallins.

Les matériaux à haute entropie sont des solides constitués de cinq éléments chimiques différents ou plus qui s’auto-assemblent dans des proportions presque égales en un seul système. Depuis de nombreuses années, les chercheurs souhaitent utiliser des matériaux à haute entropie pour développer des matériaux semi-conducteurs qui s’auto-assemblent avec un apport d’énergie minimal.

« Mais les semi-conducteurs à haute entropie n’ont pas été étudiés dans la même mesure. Notre travail pourrait aider à combler de manière significative cette lacune de compréhension », a déclaré Yuxin Jiang, co-premier auteur et étudiant chercheur diplômé du groupe Peidong Yang de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et du département de chimie de l’UC Berkeley.

Bien que les matériaux conventionnels en alliage à haute entropie nécessitent beaucoup moins d’énergie que le silicium pour être transformés en fabrication, ils exigent néanmoins des températures très élevées, supérieures à 1 000 degrés Celsius (ou plus de 1 832 degrés Fahrenheit). La mise à l’échelle de matériaux à haute entropie pour une fabrication à l’échelle industrielle est un défi en raison de cet énorme apport d’énergie.

Pour surmonter cet obstacle, Yang et son équipe ont ensuite exploité les qualités uniques d’un matériau solaire bien étudié qui intriguait les chercheurs depuis de nombreuses années : les pérovskites aux halogénures.

Les pérovskites sont facilement traitées à partir d’une solution à basse température – de la température ambiante à environ 300 degrés Fahrenheit. Ces températures de traitement plus basses pourraient un jour réduire considérablement les coûts énergétiques des fabricants de semi-conducteurs.

Pour la nouvelle étude, Yang et son équipe ont profité de ce besoin énergétique inférieur pour synthétiser des monocristaux de pérovskite aux halogénures à haute entropie à partir d’une solution à température ambiante ou à basse température (80 degrés Celsius ou 176 degrés Fahrenheit).

En raison de leur nature de liaison ionique, les structures cristallines halogénures de pérovskite nécessitent beaucoup moins d’énergie pour se former que d’autres systèmes matériels, a expliqué Yang.

Expériences au laboratoire de Berkeley Source de lumière avancée a confirmé que les cristaux octaédriques et cuboctaédriques résultants sont des monocristaux de pérovskite aux halogénures à haute entropie : un ensemble composé de cinq éléments (SnTeReIrPt ou ZrSnTeHfPt) et un autre ensemble composé de six éléments (SnTeReOsIrPt ou ZrSnTeHfRePt). Les cristaux mesurent environ 30 à 100 micromètres de diamètre. (Un micromètre équivaut à un milliardième de mètre, soit à peu près la taille d’un grain de poussière.)

La technique à basse température/température ambiante produit des semi-conducteurs monocristallins quelques heures après avoir mélangé une solution et précipité, bien plus rapidement que les techniques conventionnelles de fabrication de semi-conducteurs.

“Intuitivement, fabriquer ces semi-conducteurs revient à empiler des “LEGO” moléculaires de forme octaédrique dans des monocristaux octaédriques plus grands”, a déclaré Yang.

“En imaginant que chacun de ces LEGO moléculaires individuels émettra à des longueurs d’onde différentes, on peut en principe concevoir un matériau semi-conducteur qui émettrait une couleur arbitraire en sélectionnant différents LEGO moléculaires octaédriques”, a-t-il expliqué. Les auteurs ont démontré ce concept en imprimant un logo des California Golden Bears.

La stabilité à température ambiante a longtemps été un problème pour les pérovskites aux halogénures prêtes à être commercialisées, mais dans une expérience sur table pour la nouvelle étude, la pérovskite aux halogénures à « encre multi-éléments » à haute entropie a surpris l’équipe de recherche avec une stabilité impressionnante dans l’air ambiant d’au au moins six mois.

Yang a déclaré que l’encre multi-éléments avait un certain nombre d’applications potentielles, notamment en tant que LED à couleur réglable ou autre dispositif d’éclairage à semi-conducteurs, ou en tant que thermoélectrique pour la récupération de la chaleur perdue. De plus, le matériau pourrait potentiellement servir de composant programmable dans un dispositif informatique optique utilisant la lumière pour transférer ou stocker des données.

“Notre nouvelle méthode de fabrication de semi-conducteurs pourrait ouvrir la voie à une industrie des semi-conducteurs plus durable.”

– Peidong Yang, chercheur principal à la division des sciences des matériaux du laboratoire de Berkeley

“Nos cristaux semi-conducteurs halogénures-pérovskites à haute entropie, avec leurs méthodes à température ambiante et à basse température, peuvent être incorporés dans un dispositif électronique sans détruire les autres couches nécessaires, permettant ainsi une conception plus facile de dispositifs électroniques et une utilisation plus répandue. de matériaux à haute entropie dans les appareils électroniques », a déclaré la co-première auteure Maria Folgueras, ancienne étudiante diplômée du groupe Peidong Yang du Berkeley Lab et de l’UC Berkeley.

“On peut imaginer que chacun de ces LEGO octaédriques pourrait transporter un certain type d’information” génétique “, tout comme les paires de bases d’ADN transportent notre information génétique”, a déclaré Yang. “Ce serait assez fascinant si un jour nous pouvions coder et décoder ces semi-conducteurs moléculaires LEGO pour des applications en sciences de l’information.”

Les chercheurs prévoient ensuite de continuer à concevoir des matériaux semi-conducteurs durables pour les applications d’éclairage et d’affichage à semi-conducteurs.

Référence: Folgueras MC, Jiang Y, Jin J, Yang P. Monocristaux de pérovskite aux halogénures à haute entropie stabilisés par une chimie douce. Nature. 2023;621(7978):282-288. est ce que je: 10.1038/s41586-023-06396-8

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