Fabbricazione ibrida di perovskite TSC. a Rappresentazione schematica del metodo di cristallizzazione a temperatura inversa confinata nello spazio per la produzione di cristalli singoli sottili (TSC). b Immagini al microscopio a fluorescenza di MAPbI3, MAPbBr3, e MAPbCl3 TSC (che sono eccitati con un 450 pulsato, 473, e laser da 405 nm, rispettivamente). Barra della scala:100μm. Riquadro:immagini ottiche di MAPbI3, MAPbBr3, e MAPbCl3 TSC. Barra della scala:200μm. c Profilo in altezza di MAPbBr3 TSC che indica che il suo spessore è di circa 2,45 µm. d spettri XRD di TSC MAPbX3 sintetizzati, dove X = I, Br, e Cl, rispettivamente. Credito: Comunicazioni sulla natura (2018). DOI:10.1038/s41467-018-07706-9
Un team internazionale di ricercatori ha sviluppato una tecnica che, per la prima volta, consente l'integrazione di materiali ibridi di perovskite a cristallo singolo nell'elettronica. Poiché queste perovskiti possono essere sintetizzate a basse temperature, l'anticipo apre le porte a nuove ricerche sull'elettronica flessibile e sui costi di produzione potenzialmente ridotti per i dispositivi elettronici.
I materiali ibridi di perovskite contengono componenti sia organici che inorganici e possono essere sintetizzati da inchiostri, rendendoli suscettibili di fabbricazione roll-to-roll di grandi aree. Questi materiali sono oggetto di approfondite ricerche per l'utilizzo nelle celle solari, diodi emettitori di luce (LED) e fotorivelatori. Però, ci sono state sfide nell'integrazione di perovskiti ibride a cristallo singolo in dispositivi elettronici più classici, come i transistor.
Le perovskiti ibride a cristallo singolo sono preferibili perché i materiali monocristallini hanno proprietà più desiderabili rispetto ai materiali policristallini; i materiali policristallini contengono più difetti che influiscono negativamente sulle proprietà elettroniche di un materiale.
La sfida nell'incorporare perovskiti ibride a cristallo singolo nell'elettronica deriva dal fatto che questi cristalli macroscopici, quando sintetizzato con tecniche convenzionali, avere ruvida, bordi irregolari. Ciò rende difficile l'integrazione con altri materiali in modo tale che i materiali realizzino i contatti di alta qualità necessari nei dispositivi elettronici.
I ricercatori hanno aggirato questo problema sintetizzando i cristalli ibridi di perovskite tra due superfici laminate, essenzialmente creando un sandwich di perovskite ibrido a cristallo singolo. La perovskite è conforme ai materiali sopra e sotto, risultando in un'interfaccia netta tra i materiali. Il substrato e il superstrato, il "pane" nel panino, può essere qualsiasi cosa, da vetrini di vetro a wafer di silicio già incorporati con elettrodi, ottenendo un transistor o un circuito già pronto.
I ricercatori possono perfezionare ulteriormente le proprietà elettriche della perovskite selezionando diversi alogenuri da utilizzare nella composizione chimica della perovskite. La scelta dell'alogenuro determina il bandgap del materiale, che influenza l'aspetto del colore del semiconduttore risultante e porta a dispositivi elettronici trasparenti e persino impercettibili quando si utilizzano perovskiti a banda proibita elevata.
"Abbiamo dimostrato la capacità di creare transistor ad effetto di campo funzionanti utilizzando materiali ibridi di perovskite a cristallo singolo fabbricati nell'aria ambiente, "dice Aram Amassian, autore corrispondente di un articolo sul lavoro e professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso lo stato NC.
"Questo è interessante perché i tradizionali materiali monocristallini devono essere prodotti in ultra-alto vuoto, ambienti ad alta temperatura, e spesso richiedono una squisita crescita epitassiale, " Amassian dice. "Le perovskiti ibride possono essere coltivate dalla soluzione, essenzialmente da un inchiostro, nell'aria ambiente a temperature inferiori a 100 gradi Celsius. Questo li rende interessanti dal punto di vista dei costi e della produzione. Li rende anche compatibili con flessibili, substrati a base di plastica, il che significa che possono avere applicazioni nell'elettronica flessibile e nell'Internet delle cose (IoT).
"Detto ciò, ci sono ancora grandi sfide qui, " dice Amassian. "Per esempio, le perovskiti ibride attuali contengono piombo, che è tossico e quindi non desiderabile per applicazioni come l'elettronica indossabile. Però, sono in corso ricerche per sviluppare perovskiti ibride che non contengano piombo o addirittura completamente prive di metalli. Questa è un'area di ricerca entusiasmante, e riteniamo che questo lavoro sia un significativo passo avanti per l'integrazione del dispositivo di questi materiali, portando allo sviluppo di nuove applicazioni tecnologiche."
La carta, "Transistor ad effetto di campo di perovskite ibrida a cristallo singolo, " è pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .
