Rice Universitys ingenjörer har upptäckt teknik som kan sänka kostnaden för halvledarelektronkällor, nyckelkomponenter i enheter som sträcker sig från mörkerseendeglasögon och lågljuskameror till elektronmikroskop och partikelacceleratorer.

I ett Nature Communications-dokument med öppen tillgång, Risforskare och medarbetare vid Los Alamos National Laboratory (LANL) beskriver den första processen för att göra elektronkällor från halogenidperovskit tunna filmer som effektivt omvandlar ljus till fria elektroner.

Tillverkare spenderar miljarder dollar varje år på fotokatodelektronkällor gjorda av halvledare som innehåller sällsynta grundämnen som gallium, selen, kadmium och tellur.

"Detta borde vara storleksordningar lägre i kostnad än vad som finns idag på marknaden, " sa studiens medkorrespondent författare Aditya Mohite, en rismaterialforskare och kemiingenjör. Han sa att halidperovskiterna har potential att överträffa befintliga halvledarelektronkällor på flera sätt.

"Först, det finns kombinationen av kvanteffektivitet och livslängd, " Sa Mohite. "Även genom detta var ett proof-of-concept, och den första demonstrationen av halidperovskiter som elektronkällor, Kvantverkningsgraden var endast cirka fyra gånger lägre än den för kommersiellt tillgängliga fotokatoder av galliumarsenid. Och vi fann att halidperovskiter hade en längre livslängd än galliumarsenid."

En annan fördel är att perovskitfotokatoder tillverkas genom spinnbeläggning, en lågkostnadsmetod som enkelt kan skalas upp, sa Mohite, en docent i kemi- och biomolekylär teknik och i materialvetenskap och nanoteknik.

"Vi fann också att nedbrutna perovskitfotokatoder lätt kan regenereras jämfört med konventionella material som vanligtvis kräver högtemperaturglödgning, " han sa.

Forskarna testade dussintals halidperovskitfotokatoder, vissa med så hög kvanteffektivitet som 2,2 %. De demonstrerade sin metod genom att skapa fotokatoder med både oorganiska och organiska komponenter, och visade att de kunde ställa in elektronemission över både det synliga och ultravioletta spektrumet.

Kvanteffektivitet beskriver hur effektiv en fotokatod är för att omvandla ljus till användbara elektroner.

"Om varje inkommande foton genererar en elektron och du samlade varje elektron, du skulle ha 100 % kvanteffektivitet, " sade studiens huvudförfattare Fangze Liu, en postdoktor vid LANL. "De bästa halvledarfotokatoderna idag har kvanteffektiviteter runt 10-20%, och de är alla gjorda av extremt dyra material med hjälp av komplexa tillverkningsprocesser. Metaller används också ibland som elektronkällor, och koppars kvantverkningsgrad är mycket liten, cirka 0,01 %, men den används fortfarande, och det är en praktisk teknik."

Kostnadsbesparingarna från halidperovskitfotokatoder skulle komma i två former:råvarorna för att tillverka dem är rikliga och billiga, och tillverkningsprocessen är enklare och billigare än för traditionella halvledare.

"Det finns ett enormt behov av något som är billigt och som kan skalas upp, " sade Mohite. "Med hjälp av lösningsbearbetade material, där du bokstavligen kan måla ett stort område, är helt ovanligt för att göra den typ av högkvalitativa halvledare som behövs för fotokatoder."

Namnet "perovskit" syftar på både ett specifikt mineral som upptäcktes i Ryssland 1839 och varje förening med kristallstrukturen av det mineralet. Halidperovskiter är de senare, och kan tillverkas genom att blanda bly, tenn och andra metaller med bromid- eller jodidsalter.

Forskning om halogenidperovskit-halvledare tog fart över hela världen efter att forskare i Storbritannien använde arkliknande kristaller av materialet för att göra högeffektiva solceller 2012. Andra laboratorier har sedan dess visat att materialen kan användas för att tillverka lysdioder, fotodetektorer, fotoelektrokemiska celler för vattenklyvning och andra anordningar.

Mohite, en expert på perovskiter som arbetade som forskare på LANL innan han började på Rice 2018, sa att en anledning till att halidperovskitfotokatodprojektet lyckades är att hans medarbetare i LANL:s forskningsgrupp för Applied Cathode Enhancement and Robustness Technologies är "ett av de bästa teamen i världen för att utforska nya material och teknologier för fotokatoder."

Fotokatoder fungerar enligt Einsteins fotoelektriska effekt, frigör fria elektroner när de träffas av ljus med en viss frekvens. Anledningen till att fotokatoders kvanteffektivitet vanligtvis är låg är att även de minsta defekter, som en enda atom som inte är på sin plats i kristallgittret, kan skapa "potentiella brunnar" som fångar fria elektroner.

"Om du har defekter, alla dina elektroner kommer att gå vilse, " sade Mohite. "Det tar mycket kontroll. Och det krävdes mycket ansträngning att komma på en process för att göra ett bra perovskitmaterial."

Mohite och Liu använde spin-coating, en mycket använd teknik där vätska tappas på en snabbt snurrande skiva och centrifugalkraften sprider vätskan över skivans yta. I Mohite och Lius experiment, spin-beläggning ägde rum i en argonatmosfär för att begränsa föroreningar. En gång snurrat, skivorna värmdes upp och placerades i högvakuum för att omvandla vätskan till kristall med en ren yta.

"Det tog många iterationer, " Sa Mohite. "Vi försökte trimma materialsammansättningen och ytbehandlingen på många sätt för att få den rätta kombinationen för maximal effektivitet. Det var den största utmaningen."

Han sa att teamet redan arbetar för att förbättra kvanteffektiviteten hos sina fotokatoder.

"Deras kvanteffektivitet är fortfarande lägre än toppmoderna halvledare, och vi föreslog i vår uppsats att detta beror på förekomsten av höga ytdefekter, ", sade han. "Nästa steg är att tillverka högkvalitativa perovskitkristaller med lägre ytdefektdensiteter.