Schilderen met halfgeleiders
AMOLF-onderzoekers Lukas Helmbrecht en Wim Noorduin ontwikkelden een reactieve inkt om op een eveneens reactief canvas een patroon te schilderen. De inkt reageert met het materiaal op het canvas tot een halfgeleider die gekleurd licht uitzendt, een essentieel onderdeel van elektronica zoals leds. Daarmee is een nieuwe manier om deze elektronica te maken binnen handbereik. De resultaten van het onderzoek, een samenwerking tussen de groepen Self-Organizing Matter en Hybrid Solar Cells van AMOLF, staan deze week in het tijdschrift ‘Advanced Materials’.
Stel dat je kunt schilderen door het doek zelf van kleur te laten veranderen in plaats van verf erop te smeren. Dat is wat Lukas Helmbrecht en collega’s doen met hun nieuwe techniek Ion Exchange Lithography. Daarbij reageert de ‘inkt’ met het ‘doek’ door middel van ionenuitwisseling. Helmbrecht voegde de daad bij het woord en airbrushte een afbeelding van Madame Curie met zijn techniek. “Ik vind het fascinerend om te zien: zodra je begint te spuiten vormt zich het groene beeld, terwijl inkt en canvas beide kleurloos zijn.”
Kleurrijke techniek
Het onderzoek draait om het maken van perovskiet, een nieuw en veelbelovend halfgeleidermateriaal waarvan bijvoorbeeld leds of zonnecellen worden gemaakt. Helmbrecht en collega’s vonden een manier om een laag loodcarbonaat (het canvas) om te zetten in een perovskiet, enkel door erop te ‘schilderen’ met een oplossing van methylammoniumbromaat. Dat gaat een chemische reactie aan met het loodcarbonaat waarbij een groen perovskiet vormt. Neem je een oplossing van een andere stof als inkt, dan kun je een blauw of rood perovskiet ernaast schilderen of een patroon stempelen of airbrushen.
Allerlei variaties in zowel de samenstelling van het canvas als de inkt zijn mogelijk. De patronen zijn heel nauwkeurig aan te brengen: druppels inkt van een paar micrometer leveren ook stipjes op van een paar micrometer. De inkt loopt dus niet uit. “De uitdaging van dit onderzoek was het ontwikkelen van de chemische reactie en de condities: de hoeveelheid inkt, de druk, de eigenschappen van het canvas. Dat was allemaal niet bekend en als je het niet precies goed hebt werkt het niet,” zegt Helmbrecht.
Alles in één laag
De vergelijking met andere technieken om laagjes van verschillende perovskieten aan te brengen op een drager dringt zich op. Maar deze techniek is fundamenteel anders, legt Helmbrecht uit. “Alle traditionele technieken resulteren in verschillende lagen perovskiet naast elkaar of op elkaar. Onze methode resulteert in één laag die bestaat uit verschillende soorten perovskiet.” Daarnaast zijn perovskieten zelf nogal gevoelig voor de bewerkingen die tijdens de traditionele methoden nodig zijn zoals etsen of spoelen. Ze kunnen dan uiteen vallen. Die bewerkingen zijn met Ion Exchange Lithography niet meer nodig.
“Dit is in principe een veel eenvoudigere methode om een patroon van verschillende perovskiet halfgeleiders naast elkaar aan te brengen op bijvoorbeeld een chip of led,” zegt Helmbrecht. Er zijn geen cleanroom of bijzondere condities nodig. De onderzoekers bewezen de bruikbaarheid van Ion Exchange Lithography door er een werkende led mee te maken. “Dat bewijst het principe.” Verschillende groepen binnen AMOLF gaan nu met deze techniek aan de slag om andere toepassingen te maken.
Referentie
L. Helmbrecht, M.H. Futscher, L.A. Muscarella, B. Ehrler, W.L. Noorduin, Ion Exchange Lithography: Localized Ion Exchange Reactions for Spatial Patterning of Perovskite Semiconductors and Insulators, Advanced Materials (2021).
