Revolutionaire zelfassemblerende techniek voor complexe halfgeleiders

Het stapelen van extreem dunne materialen op elkaar kan nieuwe materialen creëren met spannende nieuwe eigenschappen. Maar de meest succesvolle processen voor het bouwen van die stapels kunnen arbeidsintensief en imperfect zijn, en niet goed geschikt voor grootschalige productie.

Nu heeft een team onder leiding van Stanford-professor Hemamala Karunadasa een veel eenvoudigere en snellere manier ontwikkeld. Ze lassen 2D-lagen van een van de meest gezochte materialen, bekend als perovskieten, groeien, afgewisseld met dunne lagen van andere materialen in grote kristallen die zichzelf assembleren.

De assemblage vindt plaats in flesjes waar de chemische ingrediënten voor de lagen in water rondtuineren, samen met hantelvormige moleculen die het proces sturen. Elk uiteinde van een hantel draagt een sjabloon voor het groeien van één type laag. Terwijl de kristalliseren — een proces vergelijkbaar met het maken van kandijsuiker — koppelen de hantels ze automatisch in de juiste volgorde aan elkaar.

De onderzoekers stellen dat hun methode de basis legt voor het maken van een breed scala aan complexe halfgeleiders op een veel meer gerichte manier, inclusief combinaties van materialen die eerder niet bekend waren om in kristallen te paaren.

"In plaats van materialen laag voor laag te manipuleren," zegt Karunadasa, "gooien we de ionen gewoon in een pot water en laten we de ionen assembleren zoals ze willen assembleren. We kunnen grammen van dit materiaal maken, en we weten waar de atomen in de kristallen zitten. Dit precisieniveau laat me zien hoe de interfaces tussen de lagen er echt uitzien, wat belangrijk is voor het bepalen van de elektronische structuur van het materiaal — hoe de elektronen zich gedragen."

Halide perovskieten — materialen die dezelfde octahedrale structuur hebben als natuurlijk voorkomende perovskietmineralen — zijn al sinds 1900 in water geassembleerd. Ze hebben veel potentieel voor het efficiënt absorberen van zonlicht in zonnecellen en het omzetten ervan in elektriciteit, maar ze zijn ook berucht onstabiel, vooral in de hete, fel belichte omgevingen waarin fotovoltaïsche systemen werken.

Het in lagen brengen van perovskieten met andere materialen kan hun eigenschappen op manieren combineren die hun prestaties in specifieke toepassingen verbeteren. Maar een nog spannender vooruitzicht is dat volledig nieuwe en onverwachte eigenschappen kunnen ontstaan op de interfaces waar lagen samenkomen; wetenschappers ontdekten bijvoorbeeld dat het stapelen van dunne films van twee verschillende typen isolatoren een elektrische geleider kan creëren.

Het is moeilijk te voorspellen welke combinaties van materialen interessant en nuttig zullen blijken. Bovendien is het maken van dun gelaagde materialen een langzaam, pijnstakend proces. Lagen worden doorgaans gemaakt door films van slechts één of twee atomen dik, één voor één, van een groter stuk materiaal af te schillen. Dat is hoe grafeen gemaakt wordt van grafit, een zuivere vorm van koolstof die in potloden wordt gebruikt. In andere gevallen worden deze dun gelaagde materialen in kleine batches bij zeer hoge temperaturen gemaakt.

"De manier waarop ze gemaakt worden is niet schaalbaar en soms zelfs moeilijk te reproduceren van de ene batch naar de andere," zegt Karunadasa. "Lagen van één of twee atomen dik afschillen is gespecialiseerd werk; het is niet iets wat jij en ik zomaar in het lab kunnen doen. Deze vellen zijn als een heel flexibel kaartspel; als je er een uittrekt, kan het krullen of buigen. Het is dus moeilijk om de exacte structuur van de eindstapel te weten. Er is zeer weinig precedent voor materialen die eruitzien als de ons die we in deze studie hebben gecreëerd."

Er werd ontdekt dat deze atoomdunne lagen dezelfde structuur hadden als 3D-blokken van vergelijkbare materialen waarvan de eigenschappen al bekend waren en dat twee verschillende lagen licht moeten vervormen om een interface te delen.

"Het creëren van de gelaagde structuren is precies hetzelfde proces als het maken van kandijsuiker, waar je een houten pin in een verzadigde suikeroplossing duwt en de suikerkristallen zichzelf op de pin vestigen," zei onderzoeker Michael Aubrey. "Maar in dit geval zijn de uitgangsmaterialen anders en heb je geen pin nodig — kristallen beginnen zich in water of op de rand van het glas flesje te vormen."

Het team maakte zes van de zelfassemblerende materialen, perovskieten afgewisseld met metalenhalogeniden of metalensulfiden, en onderzocht ze met röntgenstraling op de Advanced Light