Onderzoekers van Missouri S&T hebben een ongekende, economische methode voor het maken van hoogwaardige anorganische dunne films, of "epitaxiale" films, gebruikt bij de vervaardiging van halfgeleiders voor flexibele elektronica, LED's en zonnecellen.

Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in Wetenschap in het artikel getiteld "Spin Coating Epitaxial Films".

"We hebben een supereenvoudige methode bedacht die nog nooit eerder is gedaan om deze films te maken van een oplossing met behulp van commerciële spincoaters, " zegt dr. Jay Switzer, de Donald L. Castleman/Foundation for Chemical Research Professor of Discovery in Chemistry bij Missouri S&T. "Dit is een goedkope en gemakkelijk toegankelijke route naar eenkristalachtige materialen die superieure elektronische en optische eigenschappen zouden moeten vertonen.

"Vooral, ons werk met sterk geordende epitaxiale afzettingen van het perovskietmateriaal cesiumloodbromide, een nieuwe halfgeleider die wordt gebruikt in zeer efficiënte fotovoltaïsche zonnecellen, staat om de efficiëntie van zonnecellen geproduceerd met dit materiaal te verhogen, ’, vult Swisser aan.

Epitaxie is de groei van kristallen, of dunne films, waarvan de oriëntatie wordt bepaald door het kristallijne substraat waarop ze zijn aangebracht. Wanneer de atomaire structuur van deze kristallen perfect is uitgelijnd met hun substraat, het eindresultaat is een film met superieure elektronische en optische eigenschappen, wedijveren met de attributen van duurdere eenkristallen.

Tot nu, spincoating is voornamelijk gebruikt om lithografische polymeercoatings te maken of om organische halfgeleiderfilms op substraten af ​​te zetten, maar de resulterende films waren ofwel polykristallijn of zonder kristallijne structuur - niet epitaxiaal met het gewilde niveau van perfectie dat nodig is voor de hedendaagse ultramoderne elektronica.

"We hebben geleerd om spincoating te gebruiken om sterk georiënteerde films en nanokristallen te maken op een verscheidenheid aan anorganische substraten, " zegt Switzer. "Tot nu toe, atomair perfecte epitaxiale films zijn gemaakt door verschillende andere methoden, en sommige daarvan zijn erg duur en vereisen een ultrahoog vacuüm."

Die methoden omvatten moleculaire bundelepitaxie (MBE), chemische dampafzetting, vloeibare fase epitaxie, hydrothermische verwerking, chemisch badafzetting en elektrodepositie. Volgens het Small Business Innovation Research (SBIR)-programma, MBE-machines kosten ongeveer $ 1 miljoen en nog veel meer voor grotere productiesystemen; en Zwitser zegt, elke MBE-machine moet aan slechts één materiaal worden toegewezen. Andere epitaxiale methoden worden beperkt door hoge temperatuur- en drukvereisten.

Over een periode van twee jaar, het onderzoeksteam toonde aan dat epitaxiale films van anorganische materialen zoals loodjodide, zinkoxide, natriumchloride- en perovskiet-kristalstructuren zouden kunnen worden afgezet op eenkristallen of vergelijkbare substraten door eenvoudig hun oplossingen of voorlopers van de materialen te spincoaten.