Een team van onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) en Humboldt-Universität zu Berlin is er voor het eerst in geslaagd om lichtgevende diodes (LED's) te produceren uit een hybride perovskiet halfgeleidermateriaal met inkjetprinting. Dit opent de deur naar een brede toepassing van deze materialen bij de productie van veel verschillende soorten elektronische componenten. De wetenschappers bereikten de doorbraak met behulp van een truc: "enten" (of zaaien) van het oppervlak met specifieke kristallen.
Micro-elektronica maakt gebruik van verschillende functionele materialen waarvan de eigenschappen ze geschikt maken voor specifieke toepassingen. Transistors en dataopslagapparaten zijn bijvoorbeeld gemaakt van silicium en de meeste fotovoltaïsche cellen die worden gebruikt voor het opwekken van elektriciteit uit zonlicht zijn momenteel ook gemaakt van dit halfgeleidermateriaal. Daarentegen worden samengestelde halfgeleiders zoals galliumnitride gebruikt om licht te genereren in opto-elektronische elementen zoals lichtgevende dioden (LED's). De productieprocessen verschillen ook voor de verschillende klassen van materialen.
Het overstijgen van de materialen en de methodesdoolhof
Hybride perovskietmaterialen beloven vereenvoudiging – door de organische en anorganische componenten van halfgeleidend kristal in een specifieke structuur te rangschikken. "Ze kunnen worden gebruikt om allerlei micro-elektronische componenten te produceren door hun samenstelling aan te passen", zegt prof. Emil List-Kratochvil, hoofd van een joint research group bij HZB en Humboldt-Universität.
Bovendien is het verwerken van perovskietkristallen relatief eenvoudig. "Ze kunnen worden geproduceerd uit een vloeibare oplossing, zodat je het gewenste onderdeel één laag per keer direct op het substraat kunt bouwen", legt de fysicus uit.
Eerst zonnecellen van een inkjetprinter, nu ook lichtgevende diodes
Wetenschappers van HZB hebben de afgelopen jaren al aangetoond dat zonnecellen kunnen worden geprint vanuit een oplossing van halfgeleiderverbindingen – en zijn vandaag de dag wereldwijd marktleider in deze technologie. Nu is het gezamenlijke team van HZB en HU Berlin er voor het eerst in geslaagd om op deze manier functionele lichtgevende diodes te produceren. De onderzoeksgroep gebruikte hiervoor een metaalhalideperovskiet. Dit is een materiaal dat een bijzonder hoog rendement belooft bij het genereren van licht , maar aan de andere kant moeilijk te verwerken is.
"Tot nu toe was het niet mogelijk om dit soort halfgeleiderlagen met voldoende kwaliteit uit een vloeibare oplossing te produceren", zegt List-Kratochvil. LED's kunnen bijvoorbeeld alleen worden afgedrukt vanaf organische halfgeleiders, maar deze bieden slechts een bescheiden helderheid. "De uitdaging was om de zoutachtige precursor die we op het substraat drukten snel en gelijkmatig te laten kristalliseren met behulp van een soort attractant of katalysator", legt de wetenschapper uit. Het team koos hiervoor een zaadkristal: een zoutkristal dat zich aan het substraat hecht en de vorming van een roosterwerk voor de daaropvolgende perovskietlagen activeert.
Aanzienlijk betere optische en elektronische kenmerken
Op deze manier creëerden de onderzoekers geprinte LED's die een veel hogere lichtsterkte en aanzienlijk betere elektrische eigenschappen bezitten dan voorheen kon worden bereikt met behulp van additieve productieprocessen. Maar voor List-Kratochvil is dit succes slechts een tussenstap op weg naar toekomstige micro- en opto-elektronica die volgens hem uitsluitend gebaseerd zal zijn op hybride perovskiet halfgeleiders. "De voordelen van één universeel toepasbare materiaalklasse en één kosteneffectief en eenvoudig proces voor de productie van elk soort component zijn opvallend", zegt de wetenschapper. Hij is daarom van plan om uiteindelijk alle belangrijke elektronische componenten op deze manier te produceren in de laboratoria van HZB en HU Berlin.
