Ett internationellt team av forskare har utvecklat en teknik som, för första gången, tillåter enkristallhybrid perovskitmaterial att integreras i elektronik. Eftersom dessa perovskiter kan syntetiseras vid låga temperaturer, framstegen öppnar dörren till ny forskning om flexibel elektronik och potentiellt minskade tillverkningskostnader för elektroniska enheter.

Hybridperovskitmaterial innehåller både organiska och oorganiska komponenter och kan syntetiseras från bläck, vilket gör dem mottagliga för tillverkning av rull-till-rulle med stor yta. Dessa material är föremål för omfattande forskning för användning i solceller, ljusemitterande dioder (LED) och fotodetektorer. Dock, det har funnits utmaningar med att integrera enkristallhybridperovskiter i mer klassiska elektroniska enheter, såsom transistorer.

Enkristallhybridperovskiter är att föredra eftersom enkristallina material har mer önskvärda egenskaper än polykristallina material; polykristallina material innehåller fler defekter som negativt påverkar ett materials elektroniska egenskaper.

Utmaningen med att införliva enkristallhybridperovskiter i elektroniken härrör från det faktum att dessa makroskopiska kristaller, när den syntetiseras med konventionella tekniker, ha grov, oregelbundna kanter. Detta gör det svårt att integrera med andra material på ett sådant sätt att materialen ger de högkvalitativa kontakter som krävs i elektroniska enheter.

Forskarna kom runt detta problem genom att syntetisera hybridperovskitkristallerna mellan två laminerade ytor, i huvudsak skapa en enkristallhybrid perovskite sandwich. Perovskiten överensstämmer med materialen ovanför och under, vilket resulterar i ett skarpt gränssnitt mellan materialen. Substratet och superstratet, "brödet" i smörgåsen, kan vara allt från glasskiva till kiselskivor som redan är inbäddade med elektroder – vilket resulterar i en färdig transistor eller krets.

Forskarna kan ytterligare finjustera perovskitens elektriska egenskaper genom att välja olika halogenider för användning i perovskitens kemiska sammansättning. Valet av halogenid avgör materialets bandgap, vilket påverkar färgutseendet på den resulterande halvledaren och leder till transparenta och till och med omärkliga elektroniska enheter när man använder perovskiter med högt bandgap.

"Vi har visat förmågan att skapa fungerande fälteffekttransistorer med enkristallhybrid perovskitmaterial tillverkade i omgivande luft, säger Aram Amassian, motsvarande författare till en artikel om arbetet och en docent i materialvetenskap och ingenjörskonst vid NC State.

"Det är av intresse eftersom traditionella enkristallmaterial måste tillverkas i ultrahögt vakuum, miljöer med hög temperatur, och kräver ofta utsökt epitaxiell tillväxt, " Amassian säger. "Hybridperovskiter kan odlas från lösning, huvudsakligen från ett bläck, i omgivande luft vid temperaturer under 100 grader Celsius. Detta gör dem attraktiva ur kostnads- och tillverkningssynpunkt. Det gör dem också kompatibla med flexibla, plastbaserade substrat, vilket innebär att de kan ha tillämpningar inom flexibel elektronik och i internet of things (IoT).

"Som sagt, det finns fortfarande stora utmaningar här, " säger Amassian. "Till exempel, nuvarande hybridperovskiter innehåller bly, som är giftigt och därför inte är något som är önskvärt för applikationer som bärbar elektronik. Dock, forskning pågår för att utveckla hybridperovskiter som inte innehåller bly eller som till och med är helt metallfria. Detta är ett spännande forskningsområde, och vi anser att detta arbete är ett viktigt steg framåt för enhetsintegrationen av dessa material, leder till utvecklingen av nya tekniska tillämpningar."

Pappret, "Enkristallhybrid perovskite fälteffekttransistorer, " publiceras i tidskriften Naturkommunikation .