Stel je een wereld voor waarin de materialen die onze schermen, zonnepanelen en sensoren aandrijven, niet zijn gemaakt van kleine, imperfecte kristallen die tegen elkaar aan geperst zitten, maar in plaats daarvan bestaan uit enorme, foutloze vellen van een enkel kristal. Dit is de droom voor ingenieurs die werken met een klasse materialen genaamd metaalhalide-perovskieten. Deze stoffen staan bekend om hun vermogen om licht met opmerkelijke efficiëntie om te zetten in elektriciteit en vice versa. Echter, decennialang hebben wetenschappers geprobeerd om ze in grote, continue vellen te maken. Wanneer ze proberen deze materialen te kweken met standaardmethoden, is het resultaat meestal een lappendeken van kleine korrels. De grenzen tussen deze korrels werken als verkeersopstoppingen voor elektronen, wat leidt tot energieverlies, hitte en instabiliteit. Om de volgende generatie hoogwaardige apparaten te bouwen, hebben onderzoekers een manier nodig om deze materialen te laten groeien als één perfect, ononderbroken vel over een hele wafer, de grootte van een standaard siliciumchip die in de elektronica wordt gebruikt.

Een team van onderzoekers van de Sun Yat-sen Universiteit, de Shandong University of Science and Technology en de Soochow University heeft nu een manier gevonden om precies dat te doen: het kweken van tweedubbelde twee-inch vellen van een specifiek type perovskietkristal die volledig vrij zijn van korrelgrenzen. Hun doorbraak behelst het veranderen van de manier waarop het materiaal wordt gekweekt vanuit een gas. In plaats van de gasdeeltjes direct op een vast oppervlak te laten landen en direct te laten plakken, introduceerden de onderzoekers een dunne laag vloeistof tussenin. Deze vloeistof fungeert als een brug, waardoor de bouwstenen van het kristal vrij kunnen stromen en hun perfecte plek kunnen vinden voordat ze stollen. Het resultaat is een glad, uniform kristalvlak dat het gehele oppervlak bedekt zonder scheuren of gaten. Deze methode, die het team katalysatorvrije damp-vloeistof-vast-groei noemt, lost een langlopend probleem in de materiaalkunde op en opent de deur naar de productie van hoogwaardige perovskietapparaten op een schaal die voorheen onmogelijk was.

De reis naar deze ontdekking begon met een fundamenteel probleem in hoe deze kristallen gewoonlijk worden gemaakt. Bij traditionele methoden verhitten wetenschappers een mengsel van chemicaliën totdat ze in een damp veranderen. Deze damp reist vervolgens naar een koel oppervlak, waar hij condenseert en een vaste film vormt. Het probleem is dat het oppervlak van het vaste materiaal zeer energetisch is en het voor de damp moeilijk is om zich er gelijkmatig op te vestigen. Het is alsoك een dikke, plakkerige substantie uitspreiden op een oppervlak dat het afstoot; de substantie heeft de neiging om samen te klonteren in kleine eilandjes in plaats van zich vlak uit te spreiden. Deze eilandjes groeien en botsen uiteindelijk tegen elkaar aan, waarbij rommelige grenzen achterblijven waar de kristalstructuur gebroken is. Dit gebeurt omdat de overgang van gas direct naar vast een hoge energiebarrière creëert die het moeilijk maakt voor het materiaal om zich soepel uit te spreiden.

Om dit te overwinnen, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe aanpak waarbij ze een vloeibare stap in het proces invoegen. Ze begonnen met een mengsel van twee chemische poeders, cesiumbromide en loodbromide, wat de ingrediënten zijn die nodig zijn om het kristal te maken. Ze plaatsten deze poeders in een smeltkroes in een oven en verhitten deze tot een specifieke temperatuur. Terwijl de poeders opwarmden, gaven ze een damp af. Cruciaal was dat de onderzoekers deze damp niet direct op het vaste substraat lieten raken. In plaats daarvan condenseerde de damp eerst in een dunne laag vloeistof op het oppervlak van het substraat. Deze vloeistoflaag is rijk aan de chemische ingrediënten en bevochtigt het oppervlak volledig, wat betekent dat het zich uitspreidt om elke inch van het substraat te bedekken zonder er druppelvormig bij te klonteren.

Deze vloeistoflaag verandert de spelregels. In plaats van de hoogenergetische strijd van een gas dat probeert te plakken aan een vaste stof, vindt de groei nu plaats op de grens tussen een vloeistof en een vaste stof. Dit is een omgeving met veel minder energie. De vloeistof fungeert als een snelweg voor de chemische ingrediënten, waardoor ze vrij kunnen bewegen en hun perfecte plek kunnen vinden om deel uit te maken van het groeiende kristal. Omdat de ingrediënten zo gemakkelijk door de vloeistof kunnen reizen, blijven ze niet steken in willekeurige klonten. In plaats daarvan groeien ze naar buiten vanuit de randen van bestaande kristalpatches, vullen de gaten op en versmelten naadloos met hun buren. De onderzoekers observeerden dat terwijl de kristallen groeiden, ze een gladde, gebogen rand behielden en gestaag expandeerden totdat het gehele oppervlak was bedekt.

Het team testte deze methode op een saffier substraat met een diameter van twee inch, een veelgebruikt materiaal als basis voor elektronische apparaten. Het resultaat was een continu film van het perovskietmateriaal, cesium loodbromide, die 1,63 micrometer dik was. Wanneer ze deze film onder krachtige microscopen bekeken, zagen ze iets buitengewoons. Het oppervlak was atomair glad, met een ruwheid van minder dan één nanometer over een groot gebied. Belangrijker nog, de gehele film was een enkel kristal. Er waren geen korrelgrenzen, geen scheuren en geen gaten. De atomen in de film waren gerangschikt in een perfect, herhalend patroon dat overeenkwam met het onderliggende saffier substraat, een teken van een hoogwaardige verbinding tussen de twee materialen.

Om te bewijzen dat dit niet slechts een gelukkig toeval was met één specifieke chemische stof, pasten de onderzoekers dezelfde methode toe op andere variaties van het materiaal. Ze kweekten succesvol vellen van cesium loodchloride en twee verschillende mengsels van chloor en broom. Deze verschillende composities veranderden de kleur van de kristallen van wit naar geel naar bruin, maar het groeiproces bleef hetzelfde, waarbij grote, uniforme vellen werden geproduceerd voor elk type. Dit toonde aan dat de methode veelzijdig is en kan worden gebruikt om een breed scala aan perovskietmaterialen te creëren die nodig zijn voor verschillende toepassingen.

De kwaliteit van deze nieuwe kristallen werd vervolgens op de proef gesteld. De onderzoekers maten hoe goed elektronen door het materiaal konden bewegen en ontdekten dat de kristallen uitzonderlijk zuiver waren. Het aantal defecten, of "traps", die elektronen gewoonlijk vangen en stoppen, was ongelooflijk laag, drie ordes van grootte lager dan in via damp-vaste groei gekweekte films. Deze zuiverheid betekende dat het materiaal elektrische stroom zeer efficiënt kon geleiden. Toen ze eenvoudige apparaten bouwden om te testen hoe het materiaal op licht reageerde, waren de resultaten indrukwekkend. De apparaten konden licht zeer snel detecteren, door het aan- en uitgaan in minder dan een microseconde, wat veel sneller is dan apparaten gemaakt met traditionele methoden. Ze vertoonden ook een sterk vermogen om licht om te zetten in elektriciteit, met een hoge signaal-ruisverhouding.

Het geheim van dit succes ligt in de unieke rol van het vloeibare intermediair. De onderzoekers ontdekten dat deze vloeistoflaag niet alleen een passieve drager is; het controleert actief hoe het kristal vormt. Door de ingrediënten in een vloeibare staat te houden aan de rand van het groeiende kristal, kan het materiaal veel verder reizen dan het zou kunnen als het in een vaste of gasvormige staat vast zou zitten. Dit stelt het kristal in staat om op een gecontroleerde, door de rand gedomineerde manier te groeien, waarbij de randen van het kristal soepel expanderen en met andere kristallen versmelten. De vloeistof helu ook om de concentratie van ingrediënten stabiel te houden, wat de chaotische, explosieve groei voorkomt die tot defecten leidt. Dit proces vindt plaats zonder de noodzaak van enige extra katalysatoren, die vaak vereist zijn in andere methoden om de groei te sturen maar ook onzuiverheden kunnen introduceren.

De implicaties van dit werk zijn aanzienlijk voor de toekomst van de opto-elektronica. Het vermogen om grote, perfecte vellen perovskietkristallen te kweken betekent dat wetenschappers nu apparaten kunnen fabriceren die voorheen beperkt waren tot kleine monsters op laboratoriumschaal. Deze hoogwaardige kristallen zouden kunnen leiden tot efficiëntere zonnecellen, helderdere en stabielere lichtgevende diodes (LED's) en snellere, gevoeligere lichtdetectoren. De beschreven methode biedt een duidelijk pad naar het opschalen van de productie, van kleine, imperfecte monsters naar grote, uniforme wafers die gebruikt kunnen worden in de echte wereld van de productie.

Uiteindelijk hebben de onderzoekers aangetoond dat door simpelweg de fase van de materie tijdens het groeiproces te veranderen — van gas naar vloeistof naar vast — zij de fundamentele beperkingen kunnen omzeilen die de ontwikkeling van perovskiettechnologie hebben tegengehouden. De vloeistoflaag fungeert als een zachte gids, die ervoor zorgt dat de atomen hun perfecte plek vinden en één enkel, continu kristal vormen. Deze eenvoudige maar diepgaande aanpassing heeft het landschap van de perovskietgroei getransformeerd, door een moeilijk thermodynamisch probleem te veranderen in een beheersbaar proces. Het resultaat is een nieuw tijdperk van materialen die niet alleen hoogwaardig zijn, maar ook schaalbaar, waardoor de belofte van geavanceerde opto-elektronische apparaten dichter bij de realiteit komt.