一項新技術可以在需要的地方生產鈣鈦礦納米晶體，因此這種極其精緻的材料可以集成到納米級設備中。麻省理工學院的研究人員開發了一種突破性的方法來精確生長鹵化物鈣鈦礦納米晶體，從而消除了破壞性製造技術的需要。該技術有助於開發nanoLED 和其他功能性納米級器件，具有光通信、計算和高分辨率顯示技術進步的潛力。

麻省理工學院的一個新平台使研究人員能夠”生長”鹵化物包晶納米晶體，並精確控制每個晶體的位置和尺寸，將它們集成到納米級發光二極管中。圖為納米晶體陣列發光效果圖。圖片來源：Sampson Wilcox, RLE提供

鹵化物鈣鈦礦是一類材料，因其優異的光電特性以及在高性能太陽能電池、發光二極管和激光器等器件中的潛在應用而引起人們的關注。

這些材料已主要應用於薄膜或微米尺寸的設備應用中。在納米尺度上精確集成這些材料可以開闢更非凡的應用，例如片上光源、光電探測器和憶阻器。然而，實現這種集成仍然具有挑戰性，因為這種精緻的材料可能會被傳統的製造和圖案化技術損壞。

為了克服這一障礙，麻省理工學院的研究人員發明了一種技術，可以在需要的地方現場生長單個鹵化物鈣鈦礦納米晶體，並精確控制位置，尺寸在50 納米以內。（一張紙的厚度為100000 納米）納米晶體的尺寸也可以通過該技術精確控制，這一點很重要，因為尺寸會影響其特性。由於材料是局部生長的，具有所需的特徵，因此不需要可能造成損壞的傳統光刻圖案化步驟。

Nan OLED陣列（如圖所示）可應用於光通信和計算、無透鏡顯微鏡、新型量子光源以及用於增強和虛擬現實的高密度、高分辨率顯示器。圖片來源：研究人員提供

該技術還具有可擴展性、多功能性，並且與傳統的製造步驟兼容，因此它可以使納米晶體集成到功能性納米級器件中。研究人員用它來製造納米級發光二極管（nanoLED）陣列，這是一種在電激活時發光的微小晶體。這種陣列可應用於光通信和計算、無透鏡顯微鏡、新型量子光源以及用於增強和虛擬現實的高密度、高分辨率顯示器。

“正如我們的工作所示，開發新的工程框架將納米材料集成到功能性納米器件中至關重要。 通過超越納米製造、材料工程和設備設計的傳統界限，這些技術可以讓我們在極端納米尺度上操縱物質，幫助我們實現非常規設備平台，這對於滿足新興技術需求非常重要。” Landsman 電氣工程和計算機科學(EECS) 職業發展助理教授、電子研究實驗室(RLE) 成員，也是描述這項工作的新論文的資深作者。

Niroui 的合著者包括主要作者Patricia Jastrzebska-Perfect，她是EECS 研究生； 朱偉坤，化學工程系研究生； Mayuran Saravanapavanantham、Sarah Spector、Roberto Brenes 和Peter Satterthwaite，均為EECS 研究生； 鄭莉，RLE博士後； Rajeev Ram，電氣工程教授。該研究於7 月6 日發表在《自然通訊》雜誌上。

微小的晶體，巨大的挑戰

使用傳統的納米級製造技術將鹵化物鈣鈦礦集成到片上納米級器件中是極其困難的。在一種方法中，可以使用光刻工藝對易碎的鈣鈦礦薄膜進行圖案化，該工藝需要可能損壞材料的溶劑。在另一種方法中，首先在溶液中形成較小的晶體，然後以所需的圖案從溶液中拾取並放置。

“這兩種情況都缺乏控制、分辨率和集成能力，這限制了材料擴展到納米設備的方式，”尼魯伊說。相反，她和她的團隊開發了一種方法，可以在精確的位置直接“生長”鹵化物鈣鈦礦晶體到所需的表面，然後在該表面上製造納米器件。

他們的流程的核心是本地化納米晶體生長中使用的解決方案。為此，他們創建了一個帶有小孔的納米級模板，其中包含晶體生長的化學過程。它們修改模板的表面和孔的內部，控制一種稱為“潤濕性”的特性，因此含有鈣鈦礦材料的溶液不會聚集在模板表面上，並將被限制在孔內。

“現在就有了這些非常小的、確定性的反應堆，材料可以在其中生長，”她說。他們將含有鹵化物鈣鈦礦生長材料的溶液施加到模板上，隨著溶劑蒸發，材料生長並在每個孔中形成微小的晶體。

一種多功能且可調節的技術

研究人員發現孔的形狀在控制納米晶體的位置方面起著關鍵作用。如果使用方形孔，由於納米級力的影響，晶體有相同的機會放置在孔的四個角中。對於某些應用來說，這可能已經足夠了，但對於其他應用來說，納米晶體的放置需要更高的精度。

通過改變孔的形狀，研究人員能夠設計這些納米級的力，使晶體優先放置在所需的位置。當溶劑在孔內蒸發時，納米晶體會經歷壓力梯度，產生定向力，確切的方向由孔的不對稱形狀確定。Niroui 說：“這使我們不僅在生長方面，而且在這些納米晶體的放置方面都具有非常高的精度。”

他們還發現可以控制井內形成的晶體的大小。改變孔的大小以允許內部更多或更少的生長溶液產生更大或更小的晶體。通過製造精確的nanoLED 陣列展示了其技術的有效性。在這種方法中，每個納米晶體都被製成發光的納米像素。這些高密度nanoLED 陣列可用於片上光通信和計算、量子光源、顯微鏡以及增強和虛擬現實應用的高分辨率顯示器。

未來，研究人員希望探索這些微小光源的更多潛在應用。他們還想測試這些設備的極限，並努力將它們有效地整合到量子系統中。除了納米級光源之外，該過程還為開發基於鹵化物鈣鈦礦的片上納米器件開闢了其他機會。

他們的技術還為研究人員提供了一種更簡單的方法來研究單個納米晶體水平的材料，他們希望這將激勵其他人對這些和其他獨特材料進行更多研究。

Jastrzebska-Perfect 補充道：“通過高通量方法研究納米級材料通常需要對材料進行精確定位並按該規模進行設計。通過提供局部控制，我們的技術可以改善研究人員研究和調整材料性能以適應不同應用的方式。”

“該團隊開發了一種非常聰明的方法，可以在基板上確定性地合成單個鈣鈦礦納米晶體。 他們可以以前所未有的規模控制納米晶體的精確放置，從而為基於單納米晶體製造高效納米級LED 提供了一個平台。”加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學教授Ali Javey 說道，他沒有參與這項研究。“這是一項令人興奮的工作，因為它克服了該領域的基本挑戰。”