Forschung -

Kostengünstige Herstellung leistungsfähiger Dünnfilme

Forscher der 'Missouri University of Science and Technology' haben eine beispiellose, wirtschaftliche Herstellungsmethode für leistungsstarke anorganische Dünnfilme oder "epitaktische" Schichten gefunden, die bei der Herstellung von Halbleitern für die flexible Elektronik, LEDs und Solarzellen verwendet werden.

"Wir haben eine besonders einfache Methode entwickelt, die noch nie zuvor angewandt wurde, um diese Schichten aus einer Lösung mit kommerziellen Spin-Coatern herzustellen", sagte Professor Dr. Jay Switzer.

"Dies ist ein kostengünstiger und leicht zugänglicher Weg zu Einkristall-Materialien, die hervorragende elektronische und optische Eigenschaften aufweisen sollten."

"Insbesondere unsere Arbeit mit hochgeordneten epitaktischen Ablagerungen des Perowskitmaterials Cäsium-Blei-Bromid, einem neuartigen Halbleiter, der in hocheffizienten Fotovoltaik-Solarzellen eingesetzt wird, steht für eine Effizienzsteigerung der mit diesem Material hergestellten Solarzellen", ergänzte Switzer.

Epitaxie ist das Wachstum von Kristallen oder dünnen Schichten, deren Ausrichtung durch das kristalline Substrat bestimmt wird, auf dem sie geschichtet sind.

Wenn die Atomstruktur dieser Kristalle perfekt auf ihr Substrat abgestimmt ist, entsteht ein Film mit hervorragenden elektronischen und optischen Eigenschaften, der mit den Eigenschaften teurerer Einkristalle konkurriert.

Bisher wurde die Spin-Beschichtung hauptsächlich zur Herstellung lithografischer Polymerbeschichtungen oder zur Abscheidung organischer Halbleiterschichten auf Substraten verwendet.

Aber die resultierenden Schichten waren entweder polykristallin oder ohne Kristallstruktur - nicht epitaktisch mit dem angestrebten Perfektionsgrad, der für die heutige Elektronik erforderlich ist.

"Wir haben gelernt, mit der Spin-Beschichtung hochorientierte Schichten und Nanokristalle auf einer Vielzahl von anorganischen Substraten herzustellen", sagte Switzer.

"Bisher wurden atomar perfekte epitaktische Schichten mit verschiedenen anderen Methoden hergestellt, von denen einige sehr teuer sind und ein Ultrahochvakuum erfordern."

Zu diesen Methoden gehören die Molekularstrahlepitaxie (MBE), die chemische Dampfabscheidung, die Flüssigphasenepitaxie, die hydrothermale Verarbeitung, die chemische Badabscheidung und die Elektrotauchlackierung.

Laut dem 'Small Business Innovation Research Program' (SBIR) kosten MBE-Maschinen etwa 1 Million Dollar und viel mehr für größere Produktionssysteme; und Switzer weist darauf hin, dass jede MBE-Maschine nur einem Material zugeordnet sein muss.

Andere epitaktische Verfahren sind durch hohe Temperatur- und Druckanforderungen eingeschränkt. Über einen Zeitraum von zwei Jahren zeigte das Forschungsteam, dass epitaktische Schichten aus anorganischen Materialien wie Bleiiodid, Zinkoxid, Natriumchlorid und Perowskit-Kristallstrukturen auf Einkristallen oder vergleichbaren Substraten durch einfaches Spin-Coating ihrer Lösungen oder Vorläufer der Materialien abgeschieden werden können.

Switzer hält 13 US-Patente, die sich hauptsächlich auf die galvanische Abscheidung von Funktionsmaterialien konzentrieren. Er ist ein 'Fellow' der 'Electrochemical Society', der 'American Association for the Advancement of Science', der 'Materials Research Society' und der 'Japan Society for the Promotion of Science.

Die Finanzierung des Forschungsprojektes erfolgte durch das U.S. Department of Energy. Der Bericht erschien mit dem Titel: “Spin Coating Epitaxial Films” in 'Science'.

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