Micro-elektronica maakt gebruik van verschillende functionele materialen die door hun eigenschappen geschikt zijn voor specifieke toepassingen. Bijvoorbeeld, transistors en gegevensopslagapparaten zijn 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. In tegenstelling tot, samengestelde halfgeleiders zoals galliumnitride worden gebruikt om licht te genereren in opto-elektronische elementen zoals light-emitting diodes (LED's). De fabricageprocessen verschillen ook voor de verschillende materiaalklassen.

Het doolhof van materialen en methoden overstijgen

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 vervaardigen door hun samenstelling te wijzigen, " zegt prof. Emil List-Kratochvil, hoofd van een Joint Research Group bij HZB en Humboldt-Universität.

Bovendien, het verwerken van perovskietkristallen is relatief eenvoudig. "Ze kunnen worden geproduceerd uit een vloeibare oplossing, zodat u de gewenste component laag voor laag direct op de ondergrond kunt opbouwen, ' legt de natuurkundige uit.

Eerste zonnecellen uit een inkjetprinter, nu ook light-emitting diodes

Wetenschappers van HZB hebben de afgelopen jaren al aangetoond dat zonnecellen kunnen worden geprint vanuit een oplossing van halfgeleiderverbindingen - en zijn tegenwoordig wereldwijd toonaangevend in deze technologie. Nu voor het eerst, het gezamenlijke team van HZB en HU Berlin is er in geslaagd om op deze manier functionele light-emitting diodes te produceren. De onderzoeksgroep gebruikte hiervoor een metaalhalogenideperovskiet. Dit is een materiaal dat een bijzonder hoge efficiëntie belooft bij het genereren van licht, maar aan de andere kant moeilijk te verwerken is.

"Tot nu, het is niet mogelijk geweest om dit soort halfgeleiderlagen met voldoende kwaliteit te produceren uit een vloeibare oplossing, " zegt List-Kratochvil. Bijvoorbeeld, LED's kunnen alleen worden geprint van organische halfgeleiders, maar deze bieden slechts een bescheiden helderheid. "De uitdaging was hoe we ervoor konden zorgen dat de zoutachtige voorloper die we op het substraat drukten snel en gelijkmatig kristalliseerde door een soort lokstof of katalysator te gebruiken, ", legt de wetenschapper uit. Het team koos voor dit doel een zaadkristal:een zoutkristal dat zich hecht aan het substraat en de vorming van een rasterwerk voor de daaropvolgende perovskietlagen veroorzaakt.

Aanzienlijk betere optische en elektronische eigenschappen

Op deze manier, de onderzoekers creëerden gedrukte LED's met een veel hogere lichtsterkte en aanzienlijk betere elektrische eigenschappen dan voorheen mogelijk was met behulp van additieve productieprocessen. Maar voor List-Kratochvil, dit succes is slechts een tussenstap op weg naar toekomstige micro- en opto-elektronica die volgens hem uitsluitend gebaseerd zal zijn op hybride perovskiet-halfgeleiders. "De voordelen die worden geboden door een enkele universeel toepasbare materiaalklasse en een enkel kosteneffectief en eenvoudig proces voor het vervaardigen van elk soort onderdeel zijn opvallend, ", zegt de wetenschapper. Hij is daarom van plan om uiteindelijk alle belangrijke elektronische componenten op deze manier te vervaardigen in de laboratoria van HZB en HU Berlijn.

List-Kratochvil is hoogleraar Hybrid Devices aan de Humboldt-Universität zu Berlin en hoofd van een in 2018 opgericht Joint Lab dat door de HU samen met de HZB wordt geëxploiteerd. In aanvulling, een team onder leiding van List-Kratochvil en HZB-wetenschapper Dr. Eva Unger werkt in het Helmholtz Innovation Lab HySPRINT aan de ontwikkeling van coating- en printprocessen - in technisch jargon ook wel 'additive manufacturing' genoemd - voor hybride perovskieten. Dit zijn kristallen met een perovskietstructuur die zowel anorganische als organische componenten bevatten.