Mitä ovat orgaaniset ja epäorgaaniset hybridipuolijohdelaitteet?

Orgaaniset ja epäorgaaniset hybridipuolijohdeyksiköt edustavat aineryhmää, joka yhdistää hiilipohjaiset molekyylikomponentit epäorgaanisiin kiteisiin verkkoihin, yleisimmin metalideihin tai metallioksideihin. Näiden hybridien määrittelevä ominaisuus on orgaanisten ja epäorgaanisten vaiheiden välinen synergistinen kytkentä molekyyli- tai nanoasteikolla, mikä aiheuttaa ominaisuuksia, joita kumpikaan komponentti ei yksinään voi saavuttaa. Tunnetuin esimerkki on sellaisten hybridiperovskite-materiaalien, kuten metyyliammonium lyijyjodidin (CH3NH3PbI3), perhe, jossa orgaaninen kationi istuu epäorgaanisten lyijyhalidioktahedraalin kanssa. Muita tärkeitä luokkia ovat metalli.

Orgaaninen komponentti tarjoaa tyypillisesti rakenteellista joustavuutta, ratkaisun prosessoitavuutta ja kykyä virittää energiatasoja molekyylisuunnittelun avulla. Epäorgaaninen komponentti tarjoaa suuren lataus-kantaja-liikkuvuuden, vahvan valonabsorption ja vakaan lämpövakauden. Näiden kahden vaiheen välinen rajapinta mahdollistaa usein tehokkaan latauksen siirron, innostuksen dissosiaation ja valon säteilyn. Tämä hybridiarkkitehtuuri mahdollistaa tutkijoiden suunnittella bändiaukkoja, dielektrisiä vakioita ja innostuksen sitovia energioita laajalla alueella, mikä tekee näistä materiaaleista erittäin mukautuvia tiettyihin laitetarpeisiin.

Tärkeimmät edut perinteisten puolijohdetuotteiden osalta

Orgaaniset epäorgaaniset hybridit tarjoavat useita erillisiä etuja verrattuna perinteisiin alkuaineisiin (pii, germanium) tai yhdistepuolijohteisiin (GaAs, InP):

  • Band block tonnikalan:[] Muuttamalla orgaanista kationia, halogenidikoostumusta tai epäorgaanisen kerroksen paksuutta optista kaistaväliä voidaan jatkuvasti säätää näkyvän ja lähes infrapunaspektrin läpi. Tämä on erityisen arvokasta aurinkokennoille ja värisävyisille ledeille.
  • Elution prosessikelpoisuus:[] Monet hybridipuolijohdet voidaan syntetisoida ja tallettaa liuoksesta alhaisissa lämpötiloissa, mikä mahdollistaa edulliset valmistustekniikat, kuten spin-pinnoite, slot-die-pinnoite, ja mustesuihkutulostus. Tämä poistaa kalliiden tyhjiöpinnoitusmenetelmien tarpeen perinteisissä puolijohdevalmistuksissa.
  • Mekaaninen joustavuus:[] Orgaaninen komponentti tuottaa mekaanista joustavuutta ja jopa venyvyyttä, jolloin hybridipuolijohteet voidaan integroida joustaviin näyttöihin, puettavaan sensoriin ja muunnettavissa oleviin aurinkosähkölaitteisiin.
  • Hyvä vikatoleranssi:[ Hybridiperovskit ovat huomattavan kestäviä pistevikoja ja raerajoja vastaan, säilyttäen korkean fotoluminesenssin kvanttisaannon ja pitkät kantoaallonpituudet jopa monikiteisissä ohuissa kalvoissa. Tämä on merkittävä ero perinteisistä puolijohteista, joissa vikoja tyypillisesti esiintyy yhdistelmäkeskuksina.
  • Kaikkien hybridien raaka-aineet ovat runsaita ja edullisia, ja synteesireitit etenevät usein ympäristön olosuhteissa. Tämä avaa oven puolijohdelaitteiden skaalautuville ja edullisille tuotannolle.
  • Vahva valo.Materiaalin vuorovaikutus:[[] Hybridipuolijohdeissa on tyypillisesti korkeat absorptiokertoimet, joiden ansiosta ohuen kalvon laitteet, joiden paksuus on satojen nanometrien luokkaa, voivat tallentaa suurimman osan tapahtumavalosta.

Nykyiset sovellukset, jotka ajavat kaupallista etua

Perovskite Aurinkokennot

Eniten orgaanisten ja epäorgaanisten hybridipuolijohteiden käyttö on aurinkosähkölaitteissa. Perovskite aurinkokennot ovat saavuttaneet yli 26% tehonmuuntamisen tehosta yhden junction kokoonpanoissa, kilpaileva kiteinen pii. Kyky virittää bändikuilu haldien sekoituksen avulla mahdollistaa rakentaa tandem soluja, jotka parittavat perovskite huippusolun piipohjakenno, työntämällä tehokkuusetuja yli 33%. Yritykset kuten Oxford PV ja Longi ovat käynnistäneet kaupallisia moduleja, jotka vipuvoima tätä teknologiaa. Keskeisiä ajureita ovat alhaiset materiaalikustannukset, yksinkertainen valmistus, ja korkea suorituskyky. Käynnissä olevassa tutkimuksessa keskitytään parantamaan pitkän aikavälin toiminnan vakautta lämmön ja kosteuden, sekä käsitellä lyijy myrkyllisyys huolenaiheita tutkimalla tinapohjaisia tai vismuth-pohjaisia vaihtoehtoja.

Valodiodit (LED-diodit)

Hybridiperovskiitit ovat myös poikkeuksellisen lupaavia LED-valojen emisiivisenä kerrostumana. Perovskite-LED-valot (PeLED-valonluminesenssi) voivat saavuttaa lähes yhtäläisyyksiä kvanttisatojen ja kapean päästölinjan leveyden, mikä tekee niistä houkuttelevan seuraavan sukupolven näyttöihin. Korvaamalla orgaanisen kationin (esim. formamidiinium, fenyylietyyliammonium) tai käyttämällä kerroksia quasi-2D-rakenteissa, tutkijat ovat osoittaneet laitteita, joiden ulkoinen kvanttiteho on yli 20% vihreillä, punaisilla ja lähes infrapuna-aalloilla. Orgaanisen komponentin joustavuus mahdollistaa myös venyvien tai tai taitettavien valo-lähettimien valmistamisen kuluviin elektronikoihin.

Valonilmaisimet ja kuvananturit

Korkea absorptiokerroin ja hybridipuolijohteiden pitkä kantoaaltojen käyttöikä ovat erinomainen valotunnistuskyky. Perovskite-valontunnistin on osoitettu vastaavan yli 10 A/W:tä ja tunnisteiden olevan verrattavissa kaupallisiin piivalodiodeihin. Niiden kyky tallettua suoraan joustaviin alustoihin mahdollistaa kevyet, suuraluekuvantamisjärjestelmät. Tutkimusryhmät ovat myös kehittäneet kaksikaistaisia ja röntgensäteitä, jotka perustuvat perovskite-yksikiteisiin kiteisiin, lääketieteellisen kuvantamisen ja turvaskannauksen avaussovelluksiin. Orgaaniset epäorgaaniset hybridit soveltuvat erityisesti laajakaistavalontunnistuksen piiriin, joka kattaa ultraviolettin lähes infrapuna-aallonpituuksille.

Ympäristö- ja kaasuanturit

Hybridipuolijohteiden sähkönjohtavuus ja valonluminanssi ovat erittäin herkkiä pinta-adsorbaateille, mikä tekee niistä tehokkaita kaasusensoreita. Esimerkiksi metyyliammoniumledijodidikalvot osoittavat palautuvia resistanssimuutoksia altistuessaan ammoniakille, kosteudelle tai haihtuville orgaanisille yhdisteille. Nanorakenteisten morfologioiden ja orgaanisten komponenttien kemiallisten toimintojen korkean pinta-alan yhdistelmä mahdollistaa kohdeanalyyttejä koskevan valikoivan havaitsemisen. Näitä antureita voidaan käyttää huonelämpötilassa alhaisella tehonkulutuksella, mikä on hyödyllistä kannettaville ympäristövalvontajärjestelmille.

Kehittyvä tutkimus ja tulevaisuuden linjaukset

Vakauden ja kestävyyden parantaminen

Ensisijainen este laajalle levinneelle hybridipuolijohteiden, erityisesti perovskien, kaupallistamiselle on niiden herkkyys hapelle, kosteudelle, lämmölle ja valolle. Kapselointitekniikat, kuten atomikerroskerroskerrostumat tai integrointi 2D-materiaaleihin, kuten grafeeniin, ovat osoittaneet lupauksia laitteen käyttöiän pidentämisessä. Toinen lähestymistapa on koostumustekniikka: haihtuvien orgaanisten kationien korvaaminen suuremmilla hydrofobisilla orgaanisilla molekyyleillä tai täysin epäorgaanisilla cesiumpohjaisilla kehyksillä. Tutkijat kehittävät myös itseparannusmekanismeja, joissa materiaali voi korjata valon aiheuttamia vaurioita liikkuvilla ionisiirtymillä.

Lyijyttömät ja ympäristöystävälliset materiaalit

Ympäristöhuolet lyijyn sisällöstä tehokkaimmissa hybridiperovskiteissa ovat kannustaneet etsimään myrkyttömiä vaihtoehtoja. Tinapohjaiset perovskit (esim. CsSnI3, FASnI3) tarjoavat samanlaisia elektronisia ominaisuuksia, mutta kärsivät nopeasta hapettumisesta. Vismuttipohjaiset kaksinkertaiset perovskiitit (esim. Cs2AgBiBr6) ovat luonnostaan vakaita ja lyijyttömiä, vaikka niiden suorituskyky on jäänyt jälkeen. Kupari- ja germaniumyhdisteet ovat myös tutkimuksen kohteena. Haasteena on ylläpitää korkea vikatoleranssi ja lataus kantokyky lyijyhalogenideja samalla poistaa myrkyllisyyttä.

Uudet synteesi- ja depositiomenetelmät

Tuotantoa skaalataan, tutkijat siirtyvät spin pinnoitteen sijasta skaalautuviin tekniikoihin, kuten terän pinnoitteeseen, slot-die-pinnoitusta ja höyrypinnoitusta. Vaporipinnoitus tarjoaa tarkan kontrollin kalvon paksuuden ja koostumuksen suhteen, mikä mahdollistaa suuren alueen, pinreikävapaat kalvot. Ratkaisuprosesseissa on käytetty maksukyvyttömyystekniikkaa, lisäaineen passiivisuutta ja prekursorikemian ohjaus on parantanut kalvon kiteytymistä ja yhdenmukaisuutta. Toinen raja on hybridipuolijohteiden kolloidin nanokristallien synteesi, joka voidaan käsitellä kuin kvanttipisteitä painettuihin elektronikoihin.

Integrointi 2D-materiaaleihin ja kvanttirakenteisiin

Yhdistämällä orgaanisia ja epäorgaanisia hybridejä 2D-materiaaleihin, kuten grafeeniin, MoS2:een tai kuusikulmaiseen boorinitritiin, avaa uusia laitearkkitehtuuria. Esimerkiksi van der Waalsin heterorakenteet, jotka voileipää perovskiittikerros grafeenielektrodien välillä, ovat osoittaneet erittäin nopean fotodentiteetin ja haihtumattomat muistivaikutukset. Vahva spin.orbitin kytkeminen hybrideihin tekee niistä myös mielenkiintoisia spintronisille sovelluksille. Lisäksi kerrostetut hybridiperovskiitit orgaanisilla spager kationeilla muodostavat luonnollisesti kvanttikaivorakenteita, joita tutkitaan jännittyneille laitteille ja lasingille.

Päätelmät

Orgaanisten ja epäorgaanisten hybridipuolijohteiden ainutlaatuinen yhdistelmä on siirtynyt laboratoriosta uteliaisuuteen ja todelliseen teknologiseen vaikutukseen. Niiden ainutlaatuinen yhdistelmä optoelektronisia optoelektronisia ominaisuuksia, ratkaisuprosessittavuutta ja mekaanista joustavuutta on keskeinen materiaali seuraavan sukupolven elektroniikkaa, energian muuntamista ja aistimista varten. Vaikka vakauden ja ympäristöyhteensopivuuden haasteet ovat edelleen olemassa, kehitysvauhti osoittaa, että käytännölliset, kaupallisesti elinkelpoiset laitteet ovat saavutettavissa. Jatkossa monitieteinen tutkimus, joka kattaa kemian, fysiikan ja tekniikan, on välttämätöntä näiden kiehtovien materiaalien suunnittelun periaatteiden hyödyntämiseksi. Lisälukemista varten katso Zhang et al. Nature Reviews Materials] -julkaisun kattava tarkastelu .