Teknikken tillader integration af single-crystal hybrid perovskites i elektronik

Et internationalt team af forskere har udviklet en teknik, der bl. for første gang, gør det muligt at integrere enkeltkrystal hybride perovskitmaterialer i elektronik. Fordi disse perovskitter kan syntetiseres ved lave temperaturer, fremskridtet åbner døren til ny forskning i fleksibel elektronik og potentielt reducerede produktionsomkostninger for elektroniske enheder.

Hybride perovskitmaterialer indeholder både organiske og uorganiske komponenter og kan syntetiseres fra blæk, hvilket gør dem modtagelige for rulle-til-rulle-fremstilling med stort område. Disse materialer er genstand for omfattende forskning til brug i solceller, lysemitterende dioder (LED'er) og fotodetektorer. Imidlertid, der har været udfordringer med at integrere single-crystal hybrid perovskites i mere klassiske elektroniske enheder, såsom transistorer.

Enkeltkrystallinske hybridperovskiter er at foretrække, fordi enkeltkrystallinske materialer har mere ønskelige egenskaber end polykrystallinske materialer; polykrystallinske materialer indeholder flere defekter, som påvirker et materiales elektroniske egenskaber negativt.

Udfordringen med at inkorporere single-krystal hybrid perovskites i elektronik stammer fra det faktum, at disse makroskopiske krystaller, når det syntetiseres ved hjælp af konventionelle teknikker, have hårdt, uregelmæssige kanter. Dette gør det vanskeligt at integrere med andre materialer på en sådan måde, at materialerne danner de højkvalitetskontakter, der er nødvendige i elektroniske enheder.

Forskerne kom uden om dette problem ved at syntetisere de hybride perovskitkrystaller mellem to laminerede overflader, i det væsentlige at skabe en enkelt-krystal hybrid perovskite sandwich. Perovskitten er i overensstemmelse med materialerne over og under, resulterer i en skarp grænseflade mellem materialerne. Substratet og superstratet, "brødet" i sandwichen, kan være alt fra glasglas til siliciumwafers, der allerede er indlejret med elektroder - hvilket resulterer i en færdiglavet transistor eller kredsløb.

Forskerne kan yderligere finjustere perovskittens elektriske egenskaber ved at udvælge forskellige halogenider til brug i perovskittens kemiske sammensætning. Valget af halogenid bestemmer materialets båndgab, hvilket påvirker farveudseendet af den resulterende halvleder og fører til gennemsigtige og endda umærkelige elektroniske enheder ved brug af perovskiter med høj båndgab.

"Vi har demonstreret evnen til at skabe fungerende felteffekttransistorer ved hjælp af single-krystal hybrid perovskit materialer fremstillet i omgivende luft, " siger Aram Amassian, tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet og en lektor i materialevidenskab og teknik ved NC State.

"Det er interessant, fordi traditionelle enkeltkrystalmaterialer skal fremstilles i ultrahøjt vakuum, miljøer med høje temperaturer, og kræver ofte udsøgt epitaksial vækst, " siger Amassian. "Hybride perovskitter kan dyrkes fra opløsning, hovedsagelig fra et blæk, i den omgivende luft ved temperaturer under 100 grader Celsius. Dette gør dem attraktive ud fra et omkostnings- og produktionssynspunkt. Det gør dem også kompatible med fleksible, plastbaserede substrater, hvilket betyder, at de kan have applikationer inden for fleksibel elektronik og i tingenes internet (IoT).

"Det sagt, der er stadig store udfordringer her, " siger Amassian. "F.eks. nuværende hybridperovskiter indeholder bly, som er giftigt og derfor ikke noget, der er ønskeligt til applikationer som bærbar elektronik. Imidlertid, forskning er i gang for at udvikle hybride perovskiter, der ikke indeholder bly, eller som endda er helt metalfri. Dette er et spændende forskningsområde, og vi føler, at dette arbejde er et væsentligt skridt fremad for enhedsintegrationen af ​​disse materialer, fører til udviklingen af ​​nye teknologiske applikationer."

Papiret, "Enkeltkrystal hybrid perovskite felteffekt transistorer, " er offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .