Forskning kan dramatisk sænke omkostningerne ved elektronkilder

Rice Universitys ingeniører har opdaget teknologi, der kan reducere omkostningerne ved halvlederelektronkilder, nøglekomponenter i enheder lige fra nattesynsbriller og svagt lys kameraer til elektronmikroskoper og partikelacceleratorer.

I et Nature Communications-papir med åben adgang, Risforskere og samarbejdspartnere ved Los Alamos National Laboratory (LANL) beskriver den første proces til fremstilling af elektronkilder fra halogenidperovskit tynde film, der effektivt omdanner lys til frie elektroner.

Producenter bruger milliarder af dollars hvert år på fotokatodeelektronkilder fremstillet af halvledere indeholdende sjældne grundstoffer som gallium, selen, cadmium og tellur.

"Dette burde være størrelsesordener lavere i omkostninger end hvad der findes i dag på markedet, " sagde undersøgelsens medkorresponderende forfatter Aditya Mohite, en rismaterialeforsker og kemiingeniør. Han sagde, at halogenidperovskitterne har potentialet til at udkonkurrere eksisterende halvlederelektronkilder på flere måder.

"Først, der er kombinationen af ​​kvanteeffektivitet og levetid, " sagde Mohite. "Selv gennem dette var et proof-of-concept, og den første demonstration af halogenidperovskitter som elektronkilder, Kvanteeffektiviteten var kun omkring fire gange lavere end den for kommercielt tilgængelige galliumarsenid-fotokatoder. Og vi fandt ud af, at halogenidperovskitter havde en længere levetid end galliumarsenid."

En anden fordel er, at perovskit-fotokatoder fremstilles ved spin-coating, en billig metode, der nemt kan skaleres op, sagde Mohite, en lektor i kemisk og biomolekylær teknik og i materialevidenskab og nanoteknik.

"Vi fandt også ud af, at nedbrudte perovskitfotokatoder let kan regenereres sammenlignet med konventionelle materialer, der normalt kræver højtemperaturudglødning, " han sagde.

Forskerne testede snesevis af halogenid perovskit fotokatoder, nogle med kvanteeffektiviteter så høje som 2,2 %. De demonstrerede deres metode ved at skabe fotokatoder med både uorganiske og organiske komponenter, og viste, at de kunne tune elektronemission over både det synlige og ultraviolette spektrum.

Kvanteeffektivitet beskriver, hvor effektiv en fotokatode er til at omdanne lys til brugbare elektroner.

"Hvis hver indkommende foton genererer en elektron, og du har samlet hver elektron, du ville have 100 % kvanteeffektivitet, " sagde studielederforfatter Fangze Liu, en postdoc-forsker ved LANL. "De bedste halvlederfotokatoder i dag har kvanteeffektiviteter omkring 10-20 %, og de er alle lavet af ekstremt dyre materialer ved hjælp af komplekse fremstillingsprocesser. Metaller bruges også nogle gange som elektronkilder, og kobbers kvanteeffektivitet er meget lille, omkring 0,01 %, men den er stadig brugt og det er en praktisk teknologi."

Omkostningsbesparelserne fra halogenidperovskitfotokatoder ville komme i to former:råmaterialerne til fremstilling af dem er rigelige og billige, og fremstillingsprocessen er enklere og billigere end for traditionelle halvledere.

"Der er et enormt behov for noget, der er billigt, og som kan skaleres op, " sagde Mohite. "Ved at bruge opløsningsforarbejdede materialer, hvor du bogstaveligt talt kan male et stort område, er fuldstændig uhørt til fremstilling af den slags højkvalitets halvledere, der er nødvendige til fotokatoder."

Navnet 'perovskit' refererer til både et specifikt mineral, der blev opdaget i Rusland i 1839, og enhver forbindelse med det pågældende minerals krystalstruktur. Halidperovskitter er sidstnævnte, og kan fremstilles ved at blande bly, tin og andre metaller med bromid- eller iodidsalte.

Forskning i halogenid-perovskit-halvledere tog fart over hele verden, efter at forskere i Det Forenede Kongerige brugte arklignende krystaller af materialet til at lave højeffektive solceller i 2012. Andre laboratorier har siden vist, at materialerne kan bruges til at lave LED'er, fotodetektorer, fotoelektrokemiske celler til vandopdeling og andre enheder.

Mohite, en ekspert i perovskites, der arbejdede som forsker ved LANL, før han kom til Rice i 2018, sagde, at en af ​​grundene til, at halogenidperovskit-fotokatodeprojektet lykkedes, er, at hans samarbejdspartnere i LANLs forskningsgruppe for Applied Cathode Enhancement and Robustness Technologies er "et af de bedste hold i verden til at udforske nye materialer og teknologier til fotokatoder."

Fotokatoder fungerer i henhold til Einsteins fotoelektriske effekt, frigiver frie elektroner, når de bliver ramt af lys med en bestemt frekvens. Grunden til, at fotokatoders kvanteeffektivitet typisk er lav, er fordi selv de mindste defekter, som et enkelt atom malplaceret i krystalgitteret, kan skabe "potentielle brønde", der fanger frie elektroner.

"Hvis du har defekter, alle dine elektroner vil gå tabt, " sagde Mohite. "Det kræver meget kontrol. Og det krævede en stor indsats at komme med en proces til at lave et godt perovskit-materiale."

Mohite og Liu brugte spin-coating, en meget brugt teknik, hvor væske tabes på en hurtigt roterende skive, og centrifugalkraften spreder væsken hen over skivens overflade. I Mohite og Lius eksperimenter, spin-coating fandt sted i en argonatmosfære for at begrænse urenheder. Når den er blevet spundet, skiverne blev opvarmet og anbragt i højvakuum for at omdanne væsken til krystal med en ren overflade.

"Det tog mange gentagelser, " sagde Mohite. "Vi prøvede at justere materialesammensætningen og overfladebehandlingen på mange måder for at få den rigtige kombination for maksimal effektivitet. Det var den største udfordring."

Han sagde, at holdet allerede arbejder på at forbedre kvanteeffektiviteten af ​​dets fotokatoder.

"Deres kvanteeffektivitet er stadig lavere end state-of-the-art halvledere, og vi foreslog i vores papir, at dette skyldes tilstedeværelsen af ​​høje overfladedefekter, " sagde han. "Det næste skridt er at fremstille højkvalitets perovskitkrystaller med lavere overfladedefekttætheder.