Nano-ingenieurs van UC San Diego hebben een nieuwe methode ontwikkeld om perovskieten te maken als dunne films met één kristal. die efficiënter zijn voor gebruik in zonnecellen en optische apparaten dan de huidige state-of-the-art polykristallijne vormen van het materiaal.

Hun fabricagemethode, die gebruikmaakt van standaard fabricageprocessen voor halfgeleiders, resulteert in flexibele eenkristal perovskietfilms met gecontroleerd gebied, dikte, en compositie. Deze monokristallijne films vertoonden minder defecten, grotere efficiëntie, en verbeterde stabiliteit dan hun polykristallijne tegenhangers, die kunnen leiden tot het gebruik van perovskieten in zonnecellen, LED's, en fotodetectoren.

Onderzoekers in het nano-engineeringlab van professor Sheng Xu's Jacobs School of Engineering publiceerden hun bevindingen op 29 juli in Natuur .

"Ons doel was om de uitdagingen te overwinnen bij het realiseren van perovskiet-apparaten met één kristal", zei Yusheng Lei, een afgestudeerde nano-engineeringstudent en eerste auteur van het artikel. "Onze methode is de eerste die de groei en fabricage van monokristallijne apparaten met hoge efficiëntie nauwkeurig kan regelen. De methode vereist geen luxe apparatuur of technieken - het hele proces is gebaseerd op traditionele fabricage van halfgeleiders, verder aangevend dat het verenigbaar is met bestaande industriële procedures."

Perovskieten zijn een klasse halfgeleidermaterialen met een specifieke kristallijne structuur die intrigerende elektronische en opto-elektronische eigenschappen vertonen, die perovskieten aantrekkelijk maken voor gebruik in apparaten die kanaliseren, detecteren, of worden bestuurd door licht-zonnecellen, optische vezel voor mededeling, of LED-gebaseerde apparaten, bijvoorbeeld.

"Momenteel, bijna alle benaderingen voor de fabricage van perovskiet zijn gericht op polykristallijne structuren omdat ze gemakkelijker te produceren zijn, hoewel hun eigenschappen en stabiliteit minder uitstekend zijn dan monokristallijne structuren", zei Yimu Chen, een afgestudeerde nano-engineeringstudent en co-eerste auteur van het artikel.

Het was moeilijk om de vorm en samenstelling van eenkristalperovskieten tijdens de fabricage te beheersen. De methode die in het laboratorium van Xu werd uitgevonden, was in staat om deze wegversperring te overwinnen door gebruik te maken van bestaande halfgeleiderfabricageprocessen, waaronder lithografie.

"Moderne elektronica zoals je mobiele telefoon, computers, en satellieten zijn gebaseerd op eenkristal dunne films van materialen zoals silicium, galliumnitride, en galliumarsenide, "zei Xu. "Enkele kristallen hebben minder defecten, en dus betere elektronische transportprestaties, dan polykristallen. Deze materialen moeten in dunne films zitten voor integratie met andere componenten van het apparaat, en dat integratieproces schaalbaar moet zijn, goedkoop, en ideaal compatibel met de bestaande industriële normen. Dat was een uitdaging geweest met perovskieten."

in 2018, Xu's team was de eerste die met succes perovskieten integreerde in het industriële standaardlithografieproces; een uitdaging, omdat bij lithografie water betrokken is, waarvoor perovskieten gevoelig zijn. Ze hebben dit probleem omzeild door een polymeerbeschermingslaag aan de perovskieten toe te voegen, gevolgd door droog etsen van de beschermingslaag tijdens de fabricage. In dit nieuwe onderzoek de ingenieurs ontwikkelden een manier om de groei van de perovskieten op het niveau van één kristal te beheersen door een lithografiemaskerpatroon te ontwerpen dat controle in zowel laterale als verticale dimensies mogelijk maakt.

In hun fabricageproces, de onderzoekers gebruiken lithografie om een ​​maskerpatroon te etsen op een substraat van hybride perovskiet-bulkkristal. Het ontwerp van het masker zorgt voor een zichtbaar proces om de groei van de ultradunne kristalfilmvorming te beheersen. Deze monokristallijne laag wordt vervolgens van het bulkkristalsubstraat afgepeld, en overgebracht naar een willekeurig substraat met behoud van zijn vorm en hechting aan het substraat. Op de groeioplossing wordt een lood-tinmengsel met geleidelijk wisselende samenstelling aangebracht, het creëren van een continu gegradeerde elektronische bandgap van de eenkristal dunne film.

De perovskiet bevindt zich op het neutrale mechanische vlak ingeklemd tussen twee lagen materiaal, waardoor de dunne film kan buigen. Door deze flexibiliteit kan de monokristallijne film worden opgenomen in zeer efficiënte flexibele dunnefilmzonnecellen, en in draagbare apparaten, bijdragen aan het doel van draadloze bediening zonder batterijen.

Met hun methode kunnen onderzoekers dunne films van één kristal maken tot vierkanten van 5,5 cm bij 5,5 cm, terwijl ze controle hebben over de dikte van het eenkristal perovskiet - variërend van 600 nanometer tot 100 micron - evenals de samenstellingsgradiënt in de dikterichting.

"Het verder vereenvoudigen van het fabricageproces en het verbeteren van het transferrendement zijn urgente zaken waar we aan werken. "zei Xu. "Als alternatief, als we het patroonmasker kunnen vervangen door functionele dragertransportlagen om de overdrachtsstap te vermijden, het hele fabricagerendement kan grotendeels worden verbeterd."

In plaats van te zoeken naar chemische middelen om het gebruik van polykristallijne perovskieten te stabiliseren, deze studie toont aan dat het mogelijk is om stabiele en efficiënte apparaten met één kristal te maken met behulp van standaard nanofabricageprocedures en -materialen. Xu's team hoopt deze methode verder op te schalen om het commerciële potentieel van perovskieten te realiseren.