Ingenieurs van Rice University hebben technologie ontdekt die de kosten van halfgeleiderelektronenbronnen kan verlagen, belangrijke componenten in apparaten, variërend van nachtkijkers en camera's bij weinig licht tot elektronenmicroscopen en deeltjesversnellers.

In een open access Nature Communications-paper, Rijstonderzoekers en medewerkers van het Los Alamos National Laboratory (LANL) beschrijven het eerste proces voor het maken van elektronenbronnen uit dunne films van halogenideperovskiet die licht efficiënt omzetten in vrije elektronen.

Fabrikanten besteden elk jaar miljarden dollars aan fotokathode-elektronenbronnen gemaakt van halfgeleiders die zeldzame elementen bevatten zoals gallium, selenium, cadmium en telluur.

"Dit zou een orde van grootte lager in kosten moeten zijn dan wat er vandaag op de markt bestaat, " zei studie co-corresponderende auteur Aditya Mohite, een rijstmateriaalwetenschapper en chemisch ingenieur. Hij zei dat de halide-perovskieten het potentieel hebben om op verschillende manieren beter te presteren dan bestaande halfgeleiderelektronenbronnen.

"Eerst, er is de combinatie van kwantumefficiëntie en levensduur, "Zei Mohite. "Zelfs door dit was een proof-of-concept, en de eerste demonstratie van halide perovskieten als elektronenbronnen, kwantumefficiëntie was slechts ongeveer vier keer lager dan die van in de handel verkrijgbare galliumarsenide-fotokathoden. En we ontdekten dat halide-perovskieten een langere levensduur hadden dan galliumarsenide."

Een ander voordeel is dat perovskiet-fotokathoden worden gemaakt door spincoating, een goedkope methode die eenvoudig kan worden opgeschaald, zei Mohite, een universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering en materiaalkunde en nano-engineering.

"We ontdekten ook dat gedegradeerde perovskiet-fotokathoden gemakkelijk kunnen worden geregenereerd in vergelijking met conventionele materialen die gewoonlijk gloeien bij hoge temperatuur vereisen, " hij zei.

De onderzoekers testten tientallen halide-perovskiet-fotokathoden, sommige met kwantumrendementen zo hoog als 2,2%. Ze demonstreerden hun methode door fotokathoden te maken met zowel anorganische als organische componenten, en toonden aan dat ze elektronenemissie konden afstemmen over zowel het zichtbare als het ultraviolette spectrum.

Kwantumefficiëntie beschrijft hoe effectief een fotokathode is in het omzetten van licht in bruikbare elektronen.

"Als elk binnenkomend foton een elektron genereert en je hebt elk elektron verzameld, je zou 100% kwantumefficiëntie hebben, " zei hoofdauteur Fangze Liu, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij LANL. "De beste halfgeleiderfotokathoden van tegenwoordig hebben een kwantumefficiëntie van ongeveer 10-20%, en ze zijn allemaal gemaakt van extreem dure materialen met behulp van complexe fabricageprocessen. Metalen worden soms ook gebruikt als elektronenbronnen, en de kwantumefficiëntie van koper is erg klein, ongeveer 0,01%, maar het wordt nog steeds gebruikt, en het is een praktische technologie."

De kostenbesparingen van halide-perovskiet-fotokathoden zouden in twee vormen komen:de grondstoffen om ze te maken zijn overvloedig en goedkoop, en het fabricageproces is eenvoudiger en goedkoper dan bij traditionele halfgeleiders.

"Er is een enorme behoefte aan iets dat goedkoop is en kan worden opgeschaald, Mohite zei. "Met behulp van in oplossing verwerkte materialen, waar je letterlijk een groot gebied kunt schilderen, is volkomen ongehoord voor het maken van het soort hoogwaardige halfgeleiders dat nodig is voor fotokathodes."

De naam 'perovskiet' verwijst zowel naar een specifiek mineraal dat in 1839 in Rusland werd ontdekt als naar een verbinding met de kristalstructuur van dat mineraal. Halide perovskieten zijn de laatste, en kan worden gemaakt door lood te mengen, tin en andere metalen met bromide- of jodidezouten.

Onderzoek naar halide-perovskiet-halfgeleiders nam wereldwijd een hoge vlucht nadat wetenschappers in het Verenigd Koninkrijk in 2012 bladachtige kristallen van het materiaal gebruikten om hoogrenderende zonnecellen te maken. Andere laboratoria hebben sindsdien aangetoond dat de materialen kunnen worden gebruikt om LED's te maken, fotodetectoren, foto-elektrochemische cellen voor watersplitsing en andere apparaten.

Mohite, een expert in perovskieten die als onderzoekswetenschapper bij LANL werkte voordat hij in 2018 bij Rice kwam, zei dat een van de redenen waarom het halide-perovskiet-fotokathodeproject slaagde, is dat zijn medewerkers in de onderzoeksgroep Applied Cathode Enhancement en Robustness Technologies van LANL "een van de beste teams ter wereld zijn voor het verkennen van nieuwe materialen en technologieën voor fotokathodes."

Fotokathoden werken volgens het foto-elektrisch effect van Einstein, vrije elektronen vrijgeven wanneer ze worden geraakt door licht van een bepaalde frequentie. De reden dat de kwantumefficiëntie van fotokathoden doorgaans laag is, is dat zelfs de kleinste defecten, als een enkel atoom niet op zijn plaats in het kristalrooster, kan "potentiële bronnen" creëren die vrije elektronen vangen.

"Als je gebreken hebt, al je elektronen gaan verloren, " zei Mohite. "Er is veel controle voor nodig. En het kostte veel moeite om een ​​proces te bedenken om een ​​goed perovskietmateriaal te maken."

Mohite en Liu gebruikten spincoating, een veelgebruikte techniek waarbij vloeistof op een snel draaiende schijf valt en de centrifugaalkracht de vloeistof over het oppervlak van de schijf verspreidt. In de experimenten van Mohite en Liu, spincoating vond plaats in een argonatmosfeer om onzuiverheden te beperken. Eenmaal gesponnen, de schijven werden verwarmd en in hoog vacuüm geplaatst om de vloeistof om te zetten in kristal met een schoon oppervlak.

"Het kostte veel herhalingen, Mohite zei. "We hebben geprobeerd de materiaalsamenstelling en oppervlaktebehandeling op vele manieren af ​​te stemmen om de juiste combinatie te krijgen voor maximale efficiëntie. Dat was de grootste uitdaging."

Hij zei dat het team al werkt aan het verbeteren van de kwantumefficiëntie van zijn fotokathoden.

"Hun kwantumefficiëntie is nog steeds lager dan die van de modernste halfgeleiders, en we hebben in ons artikel voorgesteld dat dit te wijten is aan de aanwezigheid van grote oppervlaktedefecten, " zei hij. "De volgende stap is het fabriceren van perovskietkristallen van hoge kwaliteit met lagere dichtheid van oppervlaktedefecten.