Met behulp van een nieuwe procedure kunnen onderzoekers van de Technische Universiteit van München (TUM) en de Ludwig Maximillians Universiteit van München (LMU) nu extreem dunne en robuuste, maar toch zeer poreuze halfgeleiderlagen. Een veelbelovend materiaal - voor kleine, lichtgewicht, flexibele zonnecellen, bijvoorbeeld, of elektroden die de prestaties van oplaadbare batterijen verbeteren.

De coating op de wafel die professor Thomas Fässler, leerstoel anorganische chemie met een focus op nieuwe materialen aan de TU München, houdt in zijn handen glinstert als een opaal. En het heeft verbazingwekkende eigenschappen:het is zo hard als een kristal, uitzonderlijk dun en - omdat het zeer poreus is - vederlicht.

Door geschikte organische polymeren in de poriën van het materiaal te integreren, de wetenschappers kunnen de elektrische eigenschappen van het resulterende hybride materiaal op maat aanpassen. Het ontwerp bespaart niet alleen ruimte, het creëert ook grote interface-oppervlakken die de algehele effectiviteit verbeteren.

"Je kunt je onze grondstof voorstellen als een poreuze steiger met een structuur die lijkt op een honingraat. De wanden bestaan ​​uit anorganische, halfgeleidend germanium, die elektrische ladingen kan produceren en opslaan. Omdat de honingraatwanden extreem dun zijn, ladingen kunnen langs korte paden stromen, " legt Fässler uit.

Het nieuwe ontwerp:bottom-up in plaats van top-down

Maar, broos transformeren, van hard germanium tot een flexibele en poreuze laag moesten de onderzoekers een paar trucjes toepassen. traditioneel, etsprocessen worden gebruikt om het oppervlak van germanium te structureren. Echter, deze top-down benadering is moeilijk te controleren op atomair niveau. De nieuwe procedure lost dit probleem op.

Samen met zijn team, Fässler ontwikkelde een synthesemethodologie om de gewenste structuren zeer nauwkeurig en reproduceerbaar te fabriceren. De grondstof is germanium met atomen gerangschikt in clusters van negen. Omdat deze clusters elektrisch geladen zijn, ze stoten elkaar af zolang ze zijn opgelost. Netting vindt alleen plaats wanneer het oplosmiddel is verdampt.

Dit kan gemakkelijk worden bereikt door warmte van 500 ° C toe te passen of het kan chemisch worden geïnduceerd, door toevoeging van germaniumchloride, bijvoorbeeld. Door andere chloriden te gebruiken, zoals fosforchloride, kunnen de germaniumstructuren gemakkelijk worden gedoteerd. Hierdoor kunnen de onderzoekers heel gericht de eigenschappen van de resulterende nanomaterialen direct bijsturen.

Kleine synthetische kralen als nanotemplates

Om de germaniumclusters de gewenste poreuze structuur te geven, de LMU-onderzoeker Dr. Dina Fattakhova-Rohlfing heeft een methodologie ontwikkeld om nanostructurering mogelijk te maken:kleine polymeerbolletjes vormen in een eerste stap driedimensionale sjablonen.

In de volgende stap, de germanium-clusteroplossing vult de openingen tussen de kralen. Zodra zich stabiele germaniumnetwerken hebben gevormd op het oppervlak van de kleine kralen, de sjablonen worden verwijderd door warmte toe te passen. Wat overblijft is de zeer poreuze nanofilm.

De ingezette polymeerkralen hebben een diameter van 50 tot 200 nanometer en vormen een opaalstructuur. De germaniumsteiger die op het oppervlak naar voren komt, fungeert als een negatieve mal - een omgekeerde opaalstructuur wordt gevormd. Dus, de nanolagen glinsteren als een opaal.

"Alleen al het poreuze germanium heeft unieke optische en elektrische eigenschappen waar veel energierelevante toepassingen van kunnen profiteren, " zegt LMU-onderzoeker Dr. Dina Fattakhova-Rohlfing, WHO, in samenwerking met Fässler, het materiaal ontwikkeld. "Buiten dat, we kunnen de poriën vullen met een breed scala aan functionele materialen, waardoor een breed scala aan nieuwe hybride materialen ontstaat."

Nanolagen effenen de weg naar draagbare fotovoltaïsche oplossingen

"In combinatie met polymeren, poreuze germaniumstructuren zijn geschikt voor de ontwikkeling van een nieuwe generatie stabiele, extreem lichtgewicht en flexibele zonnecellen die mobiele telefoons kunnen opladen, camera's en laptops onderweg, " legt de natuurkundige Peter Müller-Buschbaum uit, hoogleraar functionele materialen aan de TU München.

Fabrikanten over de hele wereld zijn op zoek naar lichtgewicht en robuuste materialen voor gebruik in draagbare zonnecellen. Tot op heden hebben ze voornamelijk organische verbindingen gebruikt, die gevoelig zijn en een relatief korte levensduur hebben. Warmte en licht ontleden de polymeren en zorgen ervoor dat de prestaties achteruit gaan. Hier, de dunne maar robuuste germanium hybride lagen bieden een echt alternatief.

Nanolagen voor nieuwe batterijsystemen

Volgende, de onderzoekers willen met de nieuwe technologie zeer poreuze siliciumlagen maken. De lagen worden momenteel getest als anodes voor oplaadbare batterijen. Het is denkbaar dat ze de grafietlagen die momenteel in batterijen worden gebruikt, kunnen vervangen om hun capaciteit te verbeteren.