Mikroelektronik använder olika funktionella material vars egenskaper gör dem lämpliga för specifika tillämpningar. Till exempel, transistorer och datalagringsenheter är gjorda av kisel, och de flesta fotovoltaiska celler som används för att generera elektricitet från solljus är också för närvarande gjorda av detta halvledarmaterial. I kontrast, sammansatta halvledare som galliumnitrid används för att generera ljus i optoelektroniska element, såsom ljusemitterande dioder (lysdioder). Tillverkningsprocesserna är också olika för de olika materialklasserna.

Att överskrida material och metoder labyrint

Hybridperovskitmaterial lovar förenkling - genom att de organiska och oorganiska komponenterna i halvledande kristall ordnas i en specifik struktur. "De kan användas för att tillverka alla typer av mikroelektroniska komponenter genom att modifiera deras sammansättning, säger prof. Emil List-Kratochvil, chef för en Joint Research Group vid HZB och Humboldt-Universität.

Vad mer, bearbetning av perovskitkristaller är jämförelsevis enkel. "De kan framställas från en flytande lösning, så att du kan bygga den önskade komponenten ett lager i taget direkt på underlaget, " förklarar fysikern.

Första solcellerna från en bläckstråleskrivare, nu ljusdioder också

Forskare vid HZB har redan de senaste åren visat att solceller kan skrivas ut från en lösning av halvledarföreningar – och är världsledande inom denna teknik idag. Nu för första gången, det gemensamma teamet av HZB och HU Berlin har lyckats producera funktionella lysdioder på detta sätt. Forskargruppen använde en metallhalogenidperovskit för detta ändamål. Detta är ett material som lovar särskilt hög effektivitet när det gäller att generera ljus – men som å andra sidan är svårt att bearbeta.

"Tills nu, det har inte varit möjligt att tillverka dessa typer av halvledarskikt med tillräcklig kvalitet från en flytande lösning, " säger List-Kratochvil. Till exempel, Lysdioder kan skrivas ut bara från organiska halvledare, men dessa ger endast blygsam ljusstyrka. "Utmaningen var hur vi skulle få den saltliknande prekursorn som vi tryckte på substratet att kristallisera snabbt och jämnt genom att använda någon form av lockmedel eller katalysator, " förklarar forskaren. Teamet valde en frökristall för detta ändamål:en saltkristall som fäster sig på substratet och utlöser bildandet av ett rutnät för de efterföljande perovskitskikten.

Betydligt bättre optiska och elektroniska egenskaper

På det här sättet, forskarna skapade tryckta lysdioder som har mycket högre ljusstyrka och avsevärt bättre elektriska egenskaper än vad som tidigare kunde uppnås med additiv tillverkningsprocess. Men för List-Kratochvil, denna framgång är bara ett mellansteg på vägen mot framtida mikro- och optoelektronik som han tror uteslutande kommer att baseras på hybridperovskit-halvledare. "Fördelarna som erbjuds av en enda universellt tillämpbar materialklass och en enda kostnadseffektiv och enkel process för tillverkning av vilken typ av komponent som helst är slående, " säger forskaren. Han planerar därför att så småningom tillverka alla viktiga elektroniska komponenter på detta sätt i laboratorierna i HZB och HU Berlin.

List-Kratochvil är professor i hybridenheter vid Humboldt-Universität zu Berlin och chef för ett Joint Lab som grundades 2018 och som drivs av HU tillsammans med HZB. Dessutom, ett team som gemensamt leds av List-Kratochvil och HZB-forskaren Dr. Eva Unger arbetar i Helmholtz Innovation Lab HySPRINT med utvecklingen av beläggnings- och tryckprocesser – även känd i teknisk jargong som "additiv tillverkning" – för hybridperovskiter. Dessa är kristaller som har en perovskitstruktur som innehåller både oorganiska och organiska komponenter.