Naukowcy dokonali znaczącego postępu w zakresie kontrolowania struktury atomowej materiałów z rodziny perowskitów, tworząc precyzyjnie dostrojoną "energetyczną kanapkę", która może zrewolucjonizować sposób produkcji ogniw słonecznych, diod LED i laserów. Materiały te, dzięki wyjątkowej zdolności do absorbowania i emitowania światła, a także obiecującej perspektywie tańszej produkcji i efektywniejszej konwersji energii słonecznej w porównaniu z krzemem, od dawna są uważane za potencjalnego następcy krzemu w szerokim zakresie zastosowań, od technologii solarnych po kwantowe urządzenia. Dotychczas jednak ich niestabilność i ograniczona trwałość znacznie ograniczały zastosowanie urządzeń perowskitowych do środowiska laboratoryjnego. Ponadto, naukowcy mieli trudności z precyzyjnym kontrolowaniem grubości warstw perowskitowych oraz z regulacją interakcji pomiędzy różnymi warstwami podczas ich układania w strukturach wielowarstwowych – procesie kluczowym dla budowy funkcjonalnych urządzeń.
Przełom w technice wzrostu warstw perowskitowych
Zespół badawczy z Uniwersytetu Cambridge, pod przewodnictwem profesora Sama Stranksa, opracował nową metodę wzrostu niezwykle cienkich warstw perowskitowych, w których atomy układają się w idealną strukturę. Otwiera to drogę do bardziej wydajnych, trwałych i potężnych urządzeń. Wykorzystano technikę opartą na parowaniu, pozwalającą na stopniowy wzrost trójwymiarowych i dwuwymiarowych perowskitów, co umożliwiło kontrolowanie grubości warstw z precyzją rzędu ułamków atoma. Wyniki badań, opublikowane w czasopiśmie Science, mogą zapoczątkować erę użytecznych urządzeń perowskitowych, produkowanych na skalę przemysłową, podobnie jak komercyjne półprzewodniki.
Każda warstwa w półprzewodnikowej strukturze pełni odrębną funkcję, odpowiedzialną za transport elektronów i ich dodatnio naładowanych odpowiedników, tzw. dziur, oraz za wpływ na absorpcję lub emisję światła. Warstwy te działają jak jednokierunkowe drogi, które prowadzą naładowane cząstki w przeciwnych kierunkach, zapobiegając ich kolizjom i stratom energii w postaci ciepła. W przypadku powszechnie używanych półprzewodników, takich jak krzem lub nowsze materiały, takie jak azotek galu, właściwości poszczególnych warstw można regulować za pomocą różnorodnych metod. Jednak perowskity, pomimo doskonałych parametrów, okazały się trudne do kontrolowania w strukturach warstwowych, częściowo ze względu na ich "chaotyczną" strukturę atomową.
Precyzyjna kontrola dzięki przetwarzaniu parowemu
"Wiele prac naukowych dotyczących perowskitów wykorzystuje procesowanie z wykorzystaniem roztworów, które jest nieporządne i trudne do kontrolowania" – wyjaśnił profesor Stranks, współliderujący badań. "Przejście na przetwarzanie parowe – metodę stosowaną do produkcji standardowych półprzewodników – pozwala nam osiągnąć ten sam stopień kontroli atomowej, przy użyciu materiałów, które są znacznie bardziej elastyczne i łatwiejsze w obróbce."
Naukowcy wykorzystali kombinację trójwymiarowych i dwuwymiarowych perowskitów do tworzenia i kontrolowania atomowo precyzyjnych struktur, zjawisko znane jako wzrost epitaksjalny. Ta precyzyjna kontrola pozwoliła zespołowi bezpośrednio obserwować, jak zmienia się emisja światła przez materiał w zależności od tego, czy jest to pojedyncza warstwa, podwójna warstwa, czy też grubsza struktura. "Nadzieją było, że uda nam się stworzyć idealny kryształ perowskitowy, w którym będziemy zmieniać skład chemiczny warstwa po warstwie, i tak właśnie się stało" – powiedział dr Yang Lu z Katedry Inżynierii Chemicznej i Biotechnologii oraz Laboratorium Cavendish w Cambridge, współautor pierwszego autorstwa. "To jak budowanie półprzewodnika od podstaw, atom po atomie, ale przy użyciu materiałów, które są znacznie łatwiejsze i tańsze w obróbce."
Kontrola zachowania się ładunków i potencjał dla urządzeń
Badania wykazały również możliwość inżynierowania połączeń pomiędzy warstwami w celu kontrolowania, czy elektrony i dziury pozostają razem, czy też są od siebie oddzielone – co jest kluczowym czynnikiem w efektywności emisji światła przez materiał. "Osiągnęliśmy poziom regulacji, który jeszcze niedawno nie był nawet na naszym horyzoncie" – powiedział profesor Richard Friend z Laboratorium Cavendish, współliderujący badaniami. "Teraz możemy zdecydować, jaki rodzaj połączenia chcemy – które trzyma naładowane cząstki razem, a które je od siebie oddala – po prostu poprzez delikatną zmianę warunków wzrostu."
Naukowcy ustalili, że mogą regulować różnicę energii między warstwami o ponad połowę elektronowolta, a w niektórych przypadkach przedłużyć żywotność elektronów i dziur do ponad 10 mikrosekund – znacznie więcej niż zazwyczaj. Zespół twierdzi, że ten poziom precyzji może otworzyć drogę do skalowalnych, o wysokiej wydajności urządzeń, które wykorzystują światło w nowych sposób, od laserów i detektorów po urządzenia kwantowe nowej generacji.
"Zmiana składu i wydajności perowskitów według własnego uznania i badanie tych zmian to prawdziwe osiągnięcie i odzwierciedla nakład pracy i inwestycji, jakie wnieśliśmy tutaj w Cambridge" – powiedział Stranks. "Ale co ważniejsze, pokazuje, jak możemy wytwarzać działające półprzewodniki z perowskitów, które potencjalnie zrewolucjonizują sposób, w jaki produkujemy tanie elektroniki i ogniwa słoneczne."