Med hjälp av ett nytt förfarande kan forskare vid Münchens tekniska universitet (TUM) och Ludwig Maximillians universitet i München (LMU) nu producera extremt tunna och robusta, ändå mycket porösa halvledarskikt. Ett mycket lovande material - för små, lättvikt, flexibla solceller, till exempel, eller elektroder som förbättrar laddningsbara batteriers prestanda.

Beläggningen på rånet som professor Thomas Fässler, ordförande för oorganisk kemi med fokus på nya material vid TU München, håller i händerna skimrar som en opal. Och den har fantastiska egenskaper:den är hård som en kristall, exceptionellt tunn och - eftersom den är mycket porös - lätt som en fjäder.

Genom att integrera lämpliga organiska polymerer i materialets porer, forskarna kan skräddarsy de elektriska egenskaperna hos det efterföljande hybridmaterialet. Designen sparar inte bara utrymme, det skapar också stora gränssnittsytor som förbättrar den totala effektiviteten.

"Du kan föreställa dig vårt råmaterial som en porös byggnadsställning med en struktur som liknar en bikaka. Väggarna består av oorganiska, halvledande germanium, som kan producera och lagra elektriska laddningar. Eftersom bikakeväggarna är extremt tunna, laddningar kan flöda längs korta vägar, " förklarar Fässler.

Den nya designen:bottom-up istället för top-down

Men, att förvandla spröd, hårt germanium till ett flexibelt och poröst lager fick forskarna tillämpa några knep. Traditionellt, Etsningsprocesser används för att strukturera ytan av germanium. Dock, denna uppifrån-och-ned-strategi är svår att kontrollera på atomär nivå. Den nya proceduren löser detta problem.

Tillsammans med sitt team, Fässler etablerade en syntesmetodik för att tillverka de önskade strukturerna mycket exakt och reproducerbart. Råmaterialet är germanium med atomer ordnade i kluster om nio. Eftersom dessa kluster är elektriskt laddade, de stöter bort varandra så länge de är upplösta. Nätning sker endast när lösningsmedlet avdunstat.

Detta kan enkelt uppnås genom att applicera värme på 500 °C eller så kan det induceras kemiskt, genom att tillsätta germaniumklorid, till exempel. Genom att använda andra klorider som fosforklorid kan germaniumstrukturerna lätt dopas. Detta gör det möjligt för forskarna att direkt justera egenskaperna hos de resulterande nanomaterialen på ett mycket riktat sätt.

Små syntetiska pärlor som nanomallar

För att ge germaniumklustren den önskade porösa strukturen, LMU-forskaren Dr. Dina Fattakhova-Rohlfing har utvecklat en metodik för att möjliggöra nanostrukturering:Små polymerpärlor bildar tredimensionella mallar i ett första steg.

I nästa steg, germaniumklusterlösningen fyller mellanrummen mellan pärlorna. Så snart stabila germaniumnätverk har bildats på ytan av de små pärlorna, mallarna tas bort genom att applicera värme. Det som återstår är den mycket porösa nanofilmen.

De utplacerade polymerpärlorna har en diameter på 50 till 200 nanometer och bildar en opal struktur. Germaniumställningen som kommer fram på ytan fungerar som en negativ form - en omvänd opal struktur bildas. Således, nanoskikten skimrar som en opal.

"Enbart det porösa germaniumet har unika optiska och elektriska egenskaper som många energirelevanta applikationer kan dra nytta av, " säger LMU-forskaren Dr Dina Fattakhova-Rohlfing, WHO, i samarbete med Fässler, utvecklat materialet. "Bortom det, vi kan fylla porerna med en mängd olika funktionella material, därigenom skapa ett brett utbud av nya hybridmaterial."

Nanolager banar vägen för bärbara solcellslösningar

"När de kombineras med polymerer, porösa germaniumstrukturer är lämpliga för utveckling av en ny generation av stabila, extremt lätta och flexibla solceller som kan ladda mobiltelefoner, kameror och bärbara datorer när du är på väg, " förklarar fysikern Peter Müller-Buschbaum, professor i funktionella material vid TU München.

Tillverkare runt om i världen letar efter lätta och robusta material att använda i bärbara solceller. Hittills har de använt främst organiska föreningar, som är känsliga och har relativt kort livslängd. Värme och ljus bryter ner polymererna och gör att prestandan försämras. Här, de tunna men robusta germaniumhybridskikten utgör ett verkligt alternativ.

Nanolager för nya batterisystem

Nästa, forskarna vill använda den nya tekniken för att tillverka högporösa kiselskikt. Skikten testas för närvarande som anoder för uppladdningsbara batterier. De kan tänkas ersätta de grafitlager som för närvarande används i batterier för att förbättra deras kapacitet.