Elektronik findet sich in fast jedem Gerät, von Smartphones und Fernsehern bis hin zu Waschmaschinen. Feldeffekttransistoren sind die Hauptbausteine elektronischer Schaltungen – und sorgen dafür, dass diese Geräte einfach zu bedienen und vollständig zu steuern sind. Perowskite sind eine neue Klasse von Halbleitern, die sich für Transistoranwendungen eignen könnten. Sie enthalten verschiedene chemische Elemente, wie organische Kationen, zweiwertige Metallkationen und Halogenidanionen. Diese Kombination von Elementen ermöglicht es, die Eigenschaften dünner Perowskit-Schichten präzise auf bestimmte Anwendungen abzustimmen.
Einsatz in Transistoren oft erfolglos
Derzeit ist ihr Einsatz in Transistoren oft erfolglos, da die Kontrolle über die Bildung der dünnen Schicht – bekannt als „Keimbildung“ und „Kristallisation“ – fehlt. Daher versuchen Forschende, die Materialien in dünne, zweidimensionale Schichten zu bringen und sie mit organischen Molekülen zwischen den anorganischen Schichten zu stabilisieren, um ihre optoelektronischen Eigenschaften zu steuern. Das Prinzip ähnelt einem Doppel-/Einfach-Cheeseburger, bei dem die Käseschichten die organischen Moleküle darstellen, die zwei Rindfleischschichten verbinden, welche die anorganischen Schichten bilden.
Typische 2D-Perowskite ähneln einem Burger, bei dem die verschiedenen Schichten nacheinander aufgebracht werden, sodass der doppelte Käse zuerst mit dem darunterliegenden Rindfleisch verbunden wird. Bei einer speziellen Art von 2D-Perowskiten, den sogenannten Dion-Jacobson-Perowskiten, muss der einzelne Käse jedoch gleichzeitig mit dem darunter- und darüberliegenden Rindfleisch verbunden werden, was den Aufbau einer solchen Schichtstruktur zwar stabiler, aber auch weitaus schwieriger macht.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Tomasz Marszalek vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung hat in Zusammenarbeit mit der Hong Kong Polytechnic University, der University of Toronto und der Norwegian University of Science and Technology einen neuen Ansatz entwickelt, der die Herstellung von Schichtstrukturen erheblich vereinfacht und gleichzeitig die molekulare Organisation zweidimensionaler Dion-Jacobson-Perowskit-Schichten verbessert. Diese Schichten können dann als Halbleitermaterialien in Transistoren verwendet werden.
Mehr Zeit führt zu mehr Ordnung
Um dies zu erreichen, entwickelte das Team eine Methode, bei der eine Lösung der Ausgangsstoffe unter Lösungsmitteldampf langsam trocknet („solvent vapour-assisted drop-casting“). Dieser langsame Kristallisationsprozess gibt den Bausteinen mehr Zeit, sich zu einer einheitlichen, gut geordneten Schichtstruktur zusammenzufügen.
Anschließend untersuchte das Team systematisch eine Reihe organischer Moleküle (Diammoniumkationen), die als Abstandshalter und Verbindungselemente zwischen den anorganischen Schichten fungieren und für die elektrischen Eigenschaften verantwortlich sind. Diese bisher unerforschten Moleküle unterschieden sich in ihrer Steifigkeit und Symmetrie.
„Mithilfe von Werkzeugen zur Dünnschichtcharakterisierung wie Rasterkraftmikroskopie und Röntgenbeugung, kombiniert mit theoretischen Berechnungen und elektrischen Messungen, konnten wir verstehen, wie diese Unterschiede die Kristallstruktur und Leitfähigkeit beeinflussen – und damit hoffentlich eine wichtige Grundlage für Anwendungen in Hochleistungstransistoren schaffen“, sagt Tomasz Marszalek, Gruppenleiter in der Arbeitsgruppe von Paul Blom.
Die Forscher konnten nachweisen, dass besonders starre und symmetrische Moleküle zu einer höheren Ordnung in zweidimensionalen Dion-Jacobson-Perowskiten führen. Diese geordneten Strukturen erleichtern die Bewegung elektrischer Ladungsträger durch das Material, was ein entscheidender Vorteil für zukünftige Anwendungen in elektronischen Bauteilen ist.
