A Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) és a Humboldt-Universität zu Berlin kutatócsoportjának először sikerült fénykibocsátó diódákat (LED-eket) előállítania egy hibrid perovszkit félvezető anyagból tintasugaras nyomtatással. Ez megnyitja az utat ezen anyagok széles körű alkalmazása előtt számos különböző típusú elektronikus alkatrész gyártásában. A tudósok egy trükk segítségével érték el az áttörést: a felszínt speciális kristályokkal "beoltják" (vagy magozzák).
A mikroelektronika különböző funkcionális anyagokat használ, amelyek tulajdonságai alkalmassá teszik őket bizonyos alkalmazásokhoz. Például a tranzisztorok és az adattároló eszközök szilíciumból készülnek, és a legtöbb fotovoltaikus cella, amelyet napfényből származó villamos energia előállítására használnak, jelenleg ebből a félvezető anyagból készül. Ezzel szemben az összetett félvezetőket, például a gallium-nitridet használják fény előállítására optoelektronikai elemekben, például fénykibocsátó diódákban (LED-ek). A gyártási folyamatok is különböznek a különböző anyagosztályok esetében.
Az anyagok és módszerek útvesztőinek meghaladta
A hibrid perovszkit anyagok egyszerűsítést ígérnek – a félvezető kristály szerves és szervetlen összetevőinek egy adott szerkezetbe rendezésével. "Mindenféle mikroelektronikai alkatrész gyártására használhatók összetételük módosításával" – mondja Prof. Emil List-Kratochvil, a HZB és a Humboldt-Universität közös kutatócsoportjának vezetője.
Mi több, a perovszkit kristályok feldolgozása viszonylag egyszerű. "Folyékony oldatból előállíthatók, így a kívánt komponenst egyszerre egy rétegben közvetlenül a hordozóra lehet építeni" - magyarázta a fizikus.
Az első napelemek tintasugaras nyomtatóból, most már fénykibocsátó diódák is
A HZB tudósai már kimutatták az elmúlt években, hogy a napelemek félvezető vegyületek oldatából nyomtathatók – és ma világszerte vezető szerepet töltöttek be ebben a technológiában. Most először a HZB és a HU Berlin közös csapatának sikerült ilyen módon funkcionális fénykibocsátó diódát előállítania. A kutatócsoport erre a célra fémhalogén-perovszkitot használt. Ez egy olyan anyag, amely különösen nagy hatékonyságot ígér a fény előállításában – másrészt azonban nehéz feldolgozni.
"Eddig nem lehetett ilyen típusú félvezető rétegeket előállítani megfelelő minőségű folyékony oldatból" - mondja List-Kratochvil. Például a LED-eket csak szerves félvezetőkből lehet nyomtatni, de ezek csak szerény fényerőt biztosítanak. "A kihívás az volt, hogyan lehet a szubsztrátumra nyomtatott sószerű prekurzort gyorsan és egyenletesen kikristályosítani valamilyen attraktáló vagy katalizátor használatával" - magyarázta a tudós. A csapat erre a célra egy magkristályt választott: egy sókristályt, amely a szubsztráthoz kapcsolódik, és elindítja a rácszat kialakulását a következő perovszkit rétegek számára.
Lényegesen jobb optikai és elektronikus jellemzők
Ily módon a kutatók olyan nyomtatott LED-eket hoztak létre, amelyek sokkal nagyobb fényerővel és lényegesen jobb elektromos tulajdonságokkal rendelkeznek, mint amelyeket korábban additív gyártási eljárásokkal lehetett elérni. De a List-Kratochvil számára ez a siker csak egy köztes lépés a jövőbeli mikro- és optoelektronika felé vezető úton, amely szerinte kizárólag hibrid perovszkit félvezetőkön alapul. "Az előnyök által kínált egyetlen általánosan alkalmazható anyagosztály és egyetlen költséghatékony és egyszerű folyamat a gyártás bármilyen alkatrész feltűnő", mondja a tudós. Ezért azt tervezi, hogy végül minden fontos elektronikus alkatrészt így gyárt a HZB és a HU Berlin laboratóriumában.
