Атомный контроль поверхности увеличил яркость экологичных нанополупроводников в 18 раз

Светоизлучающие полупроводники повсеместно используются в телевизорах, смартфонах и системах освещения. Однако при разработке экологически чистых полупроводниковых материалов до сих пор существует множество технологических барьеров.

Схематическая иллюстрация преодоления ограничений эффективности излучения с помощью контроля на атомном уровне. Автор: Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c13963

Проблемы наноразмерных полупроводников

В частности, наноразмерные полупроводники, которые в десятки тысяч раз меньше ширины человеческого волоса (около 100 000 нанометров), теоретически способны излучать яркий свет, но на практике их свечение было крайне слабым. Исследователи из Корейского института передовых технологий (KAIST) разработали новую технологию контроля поверхности, которая преодолевает это ограничение.

Команда под руководством профессора Химчана Чо с факультета материаловедения и инженерии разработала фундаментальную технологию для контроля на атомном уровне поверхности кластеров заданного размера (MSCs) на основе фосфида индия (InP) — наноразмерных частиц, считающихся полупроводниковыми материалами следующего поколения.

Фосфид индия (InP) — это соединение индия (In) и фосфора (P), рассматриваемое как экологичная альтернатива, не использующая опасные элементы, такие как кадмий.

Прорыв в технологии контроля поверхности

Исследование под названием «Преодоление ограничений эффективности люминесценции кластеров заданного размера на основе InP» было опубликовано в онлайн-журнале Journal of the American Chemical Society (JACS).

Изучаемый материал, известный как кластер заданного размера, представляет собой ультрамалые полупроводниковые частицы, состоящие всего из нескольких десятков атомов. Поскольку все частицы имеют идентичный размер и структуру, эти материалы теоретически способны излучать чрезвычайно яркий и чистый свет.

Однако из-за их чрезвычайно малого размера (всего 1–2 нанометра) даже незначительные дефекты поверхности приводят к потере большей части излучаемого света. В результате эффективность люминесценции до сих пор оставалась ниже 1%.

Ранее эту проблему пытались решить путем травления поверхности сильными химическими веществами, такими как плавиковая кислота (HF). Однако чрезмерно агрессивные реакции часто повреждали сам полупроводник.

Команда профессора Чо выбрала другой подход. Вместо того чтобы удалять поверхность целиком, они разработали стратегию прецизионного травления, позволяющую проводить химические реакции высококонтролируемым, постепенным образом. Это позволило селективно удалять только те дефектные участки, которые мешали излучению света, сохраняя при этом общую структуру полупроводника.

В процессе удаления дефектов фтор, образующийся в результате реакции, соединялся с цинком в растворе с образованием хлорида цинка, который, в свою очередь, стабилизировал и пассивировал обнаженную поверхность нанокристалла.

Результаты и будущее применение

В результате исследовательской группе удалось повысить эффективность люминесценции полупроводника с менее чем 1% до 18,1%. Это наивысший показатель, зарегистрированный на сегодняшний день среди ультрамалых нанополупроводников на основе фосфида индия, что соответствует 18-кратному увеличению яркости.

Это исследование особенно значимо, поскольку впервые демонстрирует, что поверхность ультрамалых полупроводников, ранее считавшаяся почти неконтролируемой, можно точно модифицировать на атомном уровне.

Ожидается, что технология найдет применение не только в дисплеях следующего поколения, но и в таких передовых областях, как квантовая связь и инфракрасное зондирование.

Профессор Химчан Чо пояснил:

«Эта работа не просто о создании более ярких полупроводников, а о демонстрации того, насколько критически важен атомный контроль поверхности для достижения желаемых характеристик».

Источник: The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)