La microelettronica utilizza vari materiali funzionali le cui proprietà li rendono adatti ad applicazioni specifiche. Per esempio, i transistor e i dispositivi di memorizzazione dei dati sono realizzati in silicio, e anche la maggior parte delle celle fotovoltaiche utilizzate per generare elettricità dalla luce solare sono attualmente realizzate con questo materiale semiconduttore. In contrasto, semiconduttori composti come il nitruro di gallio vengono utilizzati per generare luce in elementi optoelettronici come i diodi emettitori di luce (LED). Differenti anche i processi di lavorazione per le varie classi di materiali.

Trascendere il labirinto di materiali e metodi

I materiali ibridi di perovskite promettono semplificazione, organizzando i componenti organici e inorganici del cristallo semiconduttore in una struttura specifica. "Possono essere usati per fabbricare tutti i tipi di componenti microelettronici modificando la loro composizione, " dice il prof. Emil List-Kratochvil, capo di un gruppo di ricerca congiunto presso HZB e Humboldt-Universität.

Cosa c'è di più, la lavorazione dei cristalli di perovskite è relativamente semplice. "Possono essere prodotti da una soluzione liquida, così puoi costruire il componente desiderato uno strato alla volta direttamente sul substrato, " spiega il fisico.

Prime celle solari da una stampante a getto d'inchiostro, ora anche i diodi emettitori di luce

Gli scienziati di HZB hanno già dimostrato negli ultimi anni che le celle solari possono essere stampate da una soluzione di composti semiconduttori e oggi sono leader mondiali in questa tecnologia. Ora per la prima volta, il team congiunto di HZB e HU Berlin è riuscito a produrre diodi luminosi funzionali in questo modo. Il gruppo di ricerca ha utilizzato una perovskite ad alogenuri metallici per questo scopo. Questo è un materiale che promette un'efficienza particolarmente elevata nella generazione di luce, ma d'altra parte è difficile da lavorare.

"Fino ad ora, non è stato possibile produrre questo tipo di strati semiconduttori con una qualità sufficiente da una soluzione liquida, " dice List-Kratochvil. Ad esempio, I LED potrebbero essere stampati solo da semiconduttori organici, ma questi forniscono solo una modesta luminosità. "La sfida era come far cristallizzare rapidamente e in modo uniforme il precursore simile al sale che abbiamo stampato sul substrato utilizzando una sorta di attrattivo o catalizzatore, " spiega lo scienziato. Il team ha scelto un cristallo seme per questo scopo:un cristallo di sale che si attacca al substrato e innesca la formazione di una griglia per i successivi strati di perovskite.

Caratteristiche ottiche ed elettroniche significativamente migliori

In questo modo, i ricercatori hanno creato LED stampati che possiedono una luminosità molto più elevata e proprietà elettriche notevolmente migliori di quelle che si potevano ottenere in precedenza utilizzando processi di produzione additiva. Ma per List-Kratochvil, questo successo è solo un passo intermedio sulla strada verso la futura micro e optoelettronica che, secondo lui, sarà basata esclusivamente su semiconduttori ibridi di perovskite. "Sono sorprendenti i vantaggi offerti da un'unica classe di materiali universalmente applicabile e da un unico processo economico e semplice per la produzione di qualsiasi tipo di componente, " dice lo scienziato. Ha quindi intenzione di produrre tutti i componenti elettronici importanti in questo modo nei laboratori di HZB e HU di Berlino.

List-Kratochvil è professore di dispositivi ibridi presso la Humboldt-Universität zu Berlin e capo di un Joint Lab fondato nel 2018 gestito da HU insieme a HZB. Inoltre, un team guidato congiuntamente da List-Kratochvil e dalla scienziata HZB, la dott.ssa Eva Unger, sta lavorando nell'Helmholtz Innovation Lab HySPRINT allo sviluppo di processi di rivestimento e stampa, noti anche in gergo tecnico come "produzione additiva", per perovskiti ibride. Questi sono cristalli che possiedono una struttura di perovskite che contengono sia componenti inorganici che organici.