Forschung -

Sind flexible Hybridhalbleiter eine Zukunftslösung?

LED-Leuchten und -Monitore sowie hochwertige Solarmodule entstanden aus einer Revolution bei Halbleitern, die Energie effizient in Licht umwandeln oder umgekehrt. Jetzt erscheinen sehr interessante Halbleitermaterialien der nächsten Generation am Horizont, denn in einer neuen Studie haben Forscher die exzentrische Physik hinter ihrem Potenzial entdeckt, die Lichttechnik und Fotovoltaik wieder einmal zu transformieren.

Der Vergleich der Quanteneigenschaften dieser aufkommenden sogenannten Hybridhalbleiter mit denen ihrer etablierten Vorgänger ist etwa so, als würde man das Bolschoi-Ballett mit Hampelmännern vergleichen.

Wirbelnde Mengen von Quantenteilchen wogen durch die neuen Materialien und erzeugen mit Leichtigkeit sehr wünschenswerte optoelektronische (lichtelektronische) Eigenschaften - so sieht es ein Team von Chemikern unter der Leitung von Forschern am Georgia Institute of Technology. Denn diese Eigenschaften sind bei etablierten Halbleitern praktisch nicht erreichbar.

Die Partikel, die sich durch diese neuen Materialien bewegen, engagieren auch das Material selbst in der Quantenaktion, ähnlich wie Tänzer, die Zuschauer zum Tanzen verleiten.

Die Forscher konnten die durch den 'Tanz' verursachten Muster im Material messen und mit den Quanteneigenschaften des neuen Materials und der in das Material eingebrachten Energie in Beziehung setzen.

Diese Erkenntnisse könnten den Ingenieuren helfen, produktiv mit der neuen Klasse von Halbleitern zu arbeiten.

Ungewöhnlich flexible Halbleiter

Die Fähigkeit des entstehenden Materials, vielfältige, exzentrische Quantenteilchenbewegungen aufzunehmen, analog zu den Tänzern, steht in direktem Zusammenhang mit seiner ungewöhnlichen Flexibilität auf molekularer Ebene, analog zu den Zuschauern, die sich den Tänzen anschließen.

Im Gegensatz dazu haben etablierte Halbleiter starre, geradlinige Molekularstrukturen, die den Tanz den Quantenteilchen überlassen.

Die Klasse der Hybridhalbleiter, die die Forscher untersuchten, heißt halogenides organisch-anorganisches Perowskit (HOIP), das weiter unten näher erläutert wird, zusammen mit der Halbleiterbezeichnung "Hybrid", die ein Kristallgitter - wie bei Halbleitern üblich - mit einer Schicht aus innovativ biegsamem Material kombiniert.

"Ein überzeugender Vorteil ist, dass HOIPs mit niedrigen Temperaturen hergestellt und in Lösungen verarbeitet werden", sagte Carlos Silva, Professor an der 'School of Chemistry and Biochemistry'.

"Es braucht viel weniger Energie, um sie herzustellen, und man kann zudem größere Mengen herstellen." Silva leitete die Studie gemeinsam mit Ajay Ram Srimath Kandada von Georgia Tech und dem Istituto Italiano di Tecnologia.

Man benötigt hohe Temperaturen, um die meisten Halbleiter in kleinen Mengen herzustellen, und sie sind zu starr, um auf Oberflächen aufgebracht zu werden, aber HOIPs lassen sich wie Farbe auftragen, um LEDs, Laser oder sogar Fensterglas herzustellen, die in jeder Farbe von Aquamarin bis Fuchsia leuchten könnten.

Die Beleuchtung mit HOIPs kann sehr wenig Energie erfordern, und die Hersteller von Solarmodulen könnten somit die Effizienz der Photovoltaik steigern und zudem die Produktionskosten senken.

Das von Georgia Tech geleitete Team bestand aus Forschern der Université de Mons in Belgien und des Istituto Italiano di Tecnologia. Die Ergebnisse wurden in "Nature Materials" veröffentlicht.

Dieses Forschungsprojekt wurde von der National Science Foundation, EU Horizon 2020, dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, dem Fond Québécois pour la Recherche und dem Belgian Federal Science Policy Office finanziert.

Quanten-Hampelmänner

Halbleiter in optoelektronischen Geräten können entweder Licht in Strom oder Strom in Licht umwandeln. Die Forscher konzentrierten sich auf Prozesse, die mit der Lichtemission verbunden sind.

Der Trick, um ein Material dazu zu bringen, Licht auszusenden, besteht prinzipiell darin, Elektronen im Material mit Energie zu versorgen, sodass sie einen Quantensprung von ihren Atombahnen machen und diese Energie als Licht aussenden, sobald sie zurück zu den Bahnen springen, die sie verlassen hatten.

Etablierte Halbleiter können Elektronen in Materialbereichen einfangen, die dann den Bewegungsradius der Elektronen streng begrenzen, und dann Energie auf diese Bereiche anwenden, um Elektronen im Gleichklang Quantensprünge machen zu lassen, damit sie nützliches Licht aussenden, sobald sie im Gleichklang zurückkehren.

"Das sind Quantentöpfe, also zweidimensionale Teile des Materials, die diese Quanteneigenschaften begrenzen, um diese besonderen Lichtemissionseigenschaften zu erzeugen", sagte Silva.

Imaginäre Teilchenerregung

Es gibt einen potenziell attraktiveren Weg, das Licht zu erzeugen, und es ist eine Kernstärke der neuen Hybridhalbleiter.

Ein Elektron hat eine negative Ladung und eine Umlaufbahn, die es verlässt, nachdem es durch Energie angeregt wurde. Das ist eine positive Ladung, die als Elektronenloch bezeichnet wird. Das Elektron und das Loch können sich umeinander drehen und so eine Art imaginäres Teilchen oder Quasipartikel bilden, genannt Exziton.

"Die positiv-negative Anziehungskraft in einem Exziton wird Bindungsenergie genannt, und es ist ein sehr energiereiches Phänomen, das sie besonders vorteilhaft für Lichtemissionen macht", sagte Silva.

Wenn sich das Elektron und das Loch wieder vereinen, setzt das die Bindungsenergie frei, um Licht zu erzeugen. Aber normalerweise sind Exzitonen in einem Halbleiter sehr schwer zu erhalten.

"Die exzitonischen Eigenschaften in konventionellen Halbleitern sind nur bei extrem niedrigen Temperaturen stabil", sagte Silva. "Aber in HOIPs sind die exzitonischen Eigenschaften bei Raumtemperatur sehr stabil."

Kunstvolle Quasipartikelwirbel

Exzitonen werden von ihren Atomen befreit und bewegen sich im Material. Darüber hinaus können Exzitonen in einem HOIP um andere Exzitonen herumwirbeln und Quasipartikel bilden, die als Biexcitons bezeichnet werden. Und es gibt noch mehr.

Exzitons drehen sich im Kristallgitter des Materials auch um Atome herum. Praktisch so wie ein Elektron und ein Elektronenloch ein Exziton erzeugen. Diese Verwirbelung der Exzitonen um einen Atomkern führt zu einem weiteren Quasipartikel, dem sogenannten Polaron.

All diese Aktionen können dazu führen, dass Exzitonen wieder in Polarone übergehen. Man kann sogar davon sprechen, dass einige Exzitonen eine "polaronische" Nuance annehmen.

Zu allen diesen Dynamiken kommt noch die Tatsache hinzu, dass HOIPs voll von positiv und negativ geladenen Ionen sind. Der Reichtum dieser Quantentänze hat auch noch eine übergreifende Wirkung auf das Material selbst.

Wellenmuster schwingen mit

Die ungewöhnliche Beteiligung von Atomen des Materials an diesen Tänzen mit Elektronen, Exzitonen, Bieexzitonen und Polaronen erzeugt sich wiederholende Nanovertiefungen im Material, die als Wellenmuster wahrnehmbar sind und sich mit der Energiemenge, die dem Material zugeführt wird, verschieben und fließen.

"In einem Grundzustand würden diese Wellenmuster in einer bestimmten Weise aussehen, aber mit zusätzlicher Energie machen die Exzitonen die Dinge anders. Das ändert die Wellenmuster, und das ist es, was wir messen", sagte Silva.

"Die wichtigste Beobachtung in der Studie ist, dass das Wellenmuster mit verschiedenen Arten von Exzitonen (Exzitonen, Bieexzitonen, polaronisch/weniger polaronisch) variiert."

Die Vertiefungen erfassen auch die Exzitonen und verlangsamen ihre Mobilität durch das Material, und all diese reichen Dynamiken können die Qualität der Lichtemission beeinträchtigen.

Gummiband-Sandwich

Das Material, ein halogenidisches organisch-anorganisches Perowskit, ist ein Sandwich aus zwei anorganischen Kristallgitterschichten mit etwas organischem Material dazwischen - damit sind HOIPs ein organisch-anorganisches Hybridmaterial. Die Quantenaktion findet in den Kristallgittern statt.

Die organische Zwischenschicht ist wie eine Lage aus Gummibändern, die die Kristallgitter zu einem wackeligen, aber stabilen 'Tanzboden' macht. Außerdem werden HOIPs mit vielen nichtkovalenten Bindungen miteinander verbunden, was das Material weichmacht.

Einzelne Teile des Kristalls nehmen die Form des Perowskits an, das eine sehr gleichmäßige Diamantenform hat, und zwar mit einem Metall in der Mitte und Halogenen wie Chlor oder Jod an bestimmten Punkten, also "Halogenid". Für diese Studie verwendeten die Forscher einen 2-D Prototypen mit der Formel (PEA)2PbI4.

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