Een internationaal team van onderzoekers heeft een techniek ontwikkeld die, Voor de eerste keer, maakt het mogelijk om hybride perovskiet-materialen met één kristal in elektronica te integreren. Omdat deze perovskieten bij lage temperaturen kunnen worden gesynthetiseerd, het voorschot opent de deur naar nieuw onderzoek naar flexibele elektronica en mogelijk lagere productiekosten voor elektronische apparaten.

Hybride perovskietmaterialen bevatten zowel organische als anorganische componenten en kunnen worden gesynthetiseerd uit inkten, waardoor ze geschikt zijn voor roll-to-roll fabricage met een groot oppervlak. Deze materialen zijn het onderwerp van uitgebreid onderzoek voor gebruik in zonnecellen, light-emitting diodes (LED's) en fotodetectoren. Echter, er zijn uitdagingen geweest bij het integreren van hybride perovskieten met één kristal in meer klassieke elektronische apparaten, zoals transistoren.

Hybride perovskieten met één kristal hebben de voorkeur omdat monokristallijne materialen meer gewenste eigenschappen hebben dan polykristallijne materialen; polykristallijne materialen bevatten meer defecten die de elektronische eigenschappen van een materiaal nadelig beïnvloeden.

De uitdaging bij het opnemen van hybride perovskieten met één kristal in elektronica komt voort uit het feit dat deze macroscopische kristallen, wanneer gesynthetiseerd met behulp van conventionele technieken, ruw hebben, onregelmatige randen. Dit maakt het moeilijk om zo met andere materialen te integreren dat de materialen de hoogwaardige contacten maken die nodig zijn in elektronische apparaten.

De onderzoekers hebben dit probleem omzeild door de hybride perovskietkristallen tussen twee gelamineerde oppervlakken te synthetiseren, in wezen een hybride perovskiet-sandwich met één kristal creëren. De perovskiet voldoet aan de materialen boven en onder, resulterend in een scherpe interface tussen de materialen. Het substraat en superstraat, het "brood" in de sandwich, kan van alles zijn, van glasplaatjes tot siliciumwafels die al zijn ingebed met elektroden - wat resulteert in een kant-en-klare transistor of circuit.

De onderzoekers kunnen de elektrische eigenschappen van de perovskiet verder verfijnen door verschillende halogeniden te selecteren voor gebruik in de chemische samenstelling van de perovskiet. De keuze van halogenide bepaalt de bandgap van het materiaal, die de kleurweergave van de resulterende halfgeleider beïnvloedt en leidt tot transparante en zelfs onmerkbare elektronische apparaten bij gebruik van perovskieten met een hoge bandgap.

"We hebben het vermogen aangetoond om werkende veldeffecttransistors te maken met behulp van hybride perovskietmaterialen met één kristal die in de lucht zijn gefabriceerd, " zegt Aram Amassian, corresponderende auteur van een paper over het werk en een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering bij NC State.

"Dat is interessant omdat traditionele monokristallijne materialen in ultrahoog vacuüm moeten worden vervaardigd, omgevingen met hoge temperaturen, en vereisen vaak uitstekende epitaxiale groei, "Amassian zegt. "Hybride perovskieten kunnen worden gekweekt uit oplossing, in wezen van een inkt, in omgevingslucht bij temperaturen onder 100 graden Celsius. Dit maakt ze aantrekkelijk vanuit het oogpunt van kosten en productie. Het maakt ze ook compatibel met flexibele, op plastic gebaseerde substraten, wat betekent dat ze toepassingen kunnen hebben in flexibele elektronica en in het internet der dingen (IoT).

"Dat gezegd hebbende, hier liggen nog grote uitdagingen, " zegt Amasian. "Bijvoorbeeld, huidige hybride perovskieten bevatten lood, wat giftig is en daarom niet wenselijk is voor toepassingen als draagbare elektronica. Echter, er wordt onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van hybride perovskieten die geen lood bevatten of zelfs volledig metaalvrij zijn. Dit is een spannend onderzoeksgebied, en we zijn van mening dat dit werk een belangrijke stap voorwaarts is voor de apparaatintegratie van deze materialen, leidend tot de ontwikkeling van nieuwe technologische toepassingen."

De krant, "Single crystal hybride perovskiet veldeffecttransistoren, " is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .