In hun paper presenteren Helmbrecht en Noorduin hun nieuwe ion-exchange lithography als antwoord op de fundamentele uitdaging om in een enkele laag patronen te realiseren van halfgeleidermaterialen met verschillende eigenschappen. Dit is essentieel voor de ontwikkeling van functionele (opto)elektronische componenten van de volgende generatie, zoals LED's of zonnecellen.
Het principe van de nieuwe techniek is om gebruik te maken van een reactieve "inkt" die kan worden geschilderd of geprint op een even reactief "canvas", waarna een perovskiet-halfgeleider wordt gevormd door middel van ionenuitwisseling. Bij wijze van demonstratie hebben de onderzoekers de techniek gebruikt om een afbeelding van Madame Curie te airbrushen.

Kleurrijke techniek

Perovskieten zijn een nieuwe en veelbelovende klasse van halfgeleidermaterialen voor de fabricage van LED's, zonnecellen en andere opto-elektronische componenten. In hun Marie Curie-demonstratie creëerden de onderzoekers een perovskiet halfgeleider door een laag loodcarbonaat als canvas te nemen en een oplossing van methylammoniumbromide als inkt. Deze laatste ondergaat een chemische reactie met het loodcarbonaat, waarbij een perovskiet wordt gevormd die groen licht uitzendt. De keuze van verschillende inkten maakt het mogelijk allerlei verschillende perovskieten te maken. Door bijvoorbeeld oplossingen te gebruiken die andere halogeniden bevatten dan bromiden, zijn aansluitende patronen te realiseren die blauw of rood licht uitzenden.

Het onderzoek heeft uitgewezen dat de patronen zeer nauwkeurig kunnen worden gemaakt: inktdruppels van slechts enkele micrometers groot leveren stippen perovskiet op van eveneens slechts enkele micrometers groot. Dit betekent dat de inkt niet uitloopt. "De uitdaging van dit onderzoek was het ontwikkelen van de chemische reactie en de omstandigheden: de hoeveelheid inkt, de druk en de eigenschappen van het doek. Geen van deze was bekend, en het proces werkt niet als ze niet precies goed zijn," zegt Helmbrecht.

Verschillende perovskieten in één enkele laag

De nieuwe ionenuitwisselingslithografie verschilt fundamenteel van bestaande technieken om perovskietlagen af te zetten, legt Helmbrecht uit. "Alle traditionele technieken resulteren in verschillende lagen van verschillende perovskieten. Onze methode resulteert in één enkele laag die bestaat uit verschillende soorten perovskiet." Bovendien zijn perovskieten doorgaans vrij gevoelig voor de behandelingen die bij traditionele methoden worden gebruikt, zoals etsen of spoelen. Deze kunnen het perovskiet beschadigen. Met de ionenuitwisselingslithografie zijn dergelijke behandelingen niet langer nodig. "We hebben een veel eenvoudiger methode ontwikkeld om een patroon van verschillende perovskiet halfgeleiders naast elkaar op een chip of LED aan te brengen," zegt Helmbrecht. Cleanrooms of andere speciale condities zijn niet meer nodig. De onderzoekers hebben het nut van ionenuitwisselingslithografie al aangetoond door de techniek te gebruiken om een werkende LED te produceren. "Daarmee is het principe bewezen."

Publicatie

L. Helmbrecht, M.H. Futscher, L.A. Muscarella, B. Ehrler, W.L. Noorduin, Ion Exchange Lithography: Localized Ion Exchange Reactions for Spatial Patterning of Perovskite Semiconductors and Insulators, Advanced Materials (2021). DOI: 10.1002/adma.202005291

Links

AMOLF persbericht: Schilderen met halfgeleiders.
Website Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences.