Forskare vid Missouri S&T har hittat en aldrig tidigare skådad, ekonomisk metod för att skapa högpresterande oorganiska tunna filmer, eller "epitaxiala" filmer, används vid tillverkning av halvledare för flexibel elektronik, LED och solceller.

Forskningen publiceras idag i Vetenskap i tidningen med titeln "Spin Coating Epitaxial Films."

"Vi har kommit fram till en superlätt metod som aldrig tidigare har gjorts för att göra dessa filmer från en lösning med kommersiella spinncoaters, " säger Dr Jay Switzer, Donald L. Castleman/Foundation for Chemical Research Professor of Discovery in Chemistry vid Missouri S&T. "Detta är en billig och lättillgänglig väg till enkristallliknande material som bör uppvisa överlägsna elektroniska och optiska egenskaper.

"Särskilt, vårt arbete med högordnade epitaxiella avlagringar av perovskitmaterialet cesiumblybromid, en ny halvledare som används i högeffektiva fotovoltaiska solceller, kommer att öka effektiviteten hos solceller som produceras med detta material, ", tillägger Switzer.

Epitaxi är tillväxten av kristaller, eller tunna filmer, vars orientering bestäms av det kristallina substratet de är skiktade på. När atomstrukturen för dessa kristaller är perfekt i linje med deras substrat, slutresultatet är en film med överlägsna elektroniska och optiska egenskaper, konkurrera med egenskaperna hos dyrare enkristaller.

Tills nu, spinnbeläggning har främst använts för att göra litografiska polymerbeläggningar eller för att avsätta organiska halvledarfilmer på substrat, men de resulterande filmerna har antingen varit polykristallina eller utan kristallin struktur – inte epitaxiella med den eftertraktade nivån av perfektion som behövs för dagens toppmoderna elektronik.

"Vi har lärt oss att använda spinnbeläggning för att göra mycket orienterade filmer och nanokristaller på en mängd olika oorganiska substrat, " säger Switzer. "Tills nu, atomiskt perfekta epitaxiella filmer har gjorts med flera andra metoder, och några av dem är mycket dyra och kräver ultrahögt vakuum."

Dessa metoder inkluderar molekylär strålepitaxi (MBE), kemisk ångavsättning, vätskefas epitaxi, hydrotermisk bearbetning, kemisk badutfällning och elektrolytisk utfällning. Enligt programmet Small Business Innovation Research (SBIR), MBE-maskiner kostar cirka 1 miljon dollar och mycket mer för större produktionssystem; och Switzer säger, varje MBE-maskin måste vara dedikerad till endast ett material. Andra epitaxiella metoder begränsas av höga temperatur- och tryckkrav.

Under en tvåårsperiod, forskargruppen visade att epitaxiella filmer av oorganiska material som blyjodid, zinkoxid, natriumklorid- och perovskitkristallstrukturer kan avsättas på enkristaller eller jämförbara substrat genom att helt enkelt spinnbelägga deras lösningar eller prekursorer av materialen.