Einem Forscherteam des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) und der Humboldt-Universität zu Berlin ist es erstmals gelungen, Leuchtdioden (LEDs) aus einem hybriden Perowskit-Halbleitermaterial im Inkjetdruck herzustellen. Dies öffnet die Tür für eine breite Anwendung dieser Materialien bei der Herstellung vieler verschiedener Arten von elektronischen Komponenten. Den Durchbruch schafften die Wissenschaftler mit Hilfe eines Tricks: "Inokulation" (oder Aussaat) der Oberfläche mit bestimmten Kristallen.
Die Mikroelektronik verwendet verschiedene funktionale Materialien, deren Eigenschaften sie für spezifische Anwendungen geeignet machen. So bestehen beispielsweise Transistoren und Datenspeicher aus Silizium, und die meisten Photovoltaikzellen, die zur Stromerzeugung aus Sonnenlicht verwendet werden, werden derzeit auch aus diesem Halbleitermaterial hergestellt. Im Gegensatz dazu werden Verbundhalbleiter wie Galliumnitrid verwendet, um Licht in optoelektronischen Elementen wie Leuchtdioden (LEDs) zu erzeugen. Die Herstellungsverfahren unterscheiden sich auch für die verschiedenen Materialklassen.
Überwindung des Material- und Methodenlabyrinths
Hybride Perowskit-Materialien versprechen Vereinfachung – indem sie die organischen und anorganischen Komponenten des halbleitenden Kristalls in einer bestimmten Struktur arrangieren. "Sie können zur Herstellung aller Arten von mikroelektronischen Bauteilen verwendet werden, indem sie ihre Zusammensetzung modifizieren", sagt Prof. Emil List-Kratochvil, Leiter einer Gemeinsamen Forschungsgruppe am HZB und der Humboldt-Universität.
Darüber hinaus ist die Verarbeitung von Perowskitkristallen vergleichsweise einfach. "Sie können aus einer flüssigen Lösung hergestellt werden, so dass Sie die gewünschte Komponente eine Schicht nach der anderen direkt auf dem Substrat bauen können", erklärt der Physiker.
Erste Solarzellen aus einem Tintenstrahldrucker, jetzt auch Leuchtdioden
Wissenschaftler am HZB haben bereits in den letzten Jahren gezeigt, dass Solarzellen aus einer Lösung von Halbleiterverbindungen gedruckt werden können – und sind heute weltweit führend in dieser Technologie. Nun ist es dem gemeinsamen Team von HZB und HU Berlin erstmals gelungen, auf diese Weise funktionale Leuchtdioden herzustellen. Die Forschungsgruppe verwendete zu diesem Zweck ein Metallhalogenid perowskit. Dies ist ein Material, das eine besonders hohe Effizienz bei der Erzeugung von Licht verspricht – aber auf der anderen Seite schwer zu verarbeiten ist.
"Bisher war es nicht möglich, solche Halbleiterschichten mit ausreichender Qualität aus einer flüssigen Lösung herzustellen", sagt List-Kratochvil. Beispielsweise könnten LEDs nur aus organischen Halbleitern gedruckt werden, aber diese bieten nur eine bescheidene Leuchtkraft. "Die Herausforderung bestand darin, den salzähnlichen Vorläufer, den wir auf das Substrat gedruckt haben, schnell und gleichmäßig zu kristallisieren, indem wir eine Art Anziehungsmittel oder Katalysator verwenden", erklärt der Wissenschaftler. Das Team wählte zu diesem Zweck einen Samenkristall: einen Salzkristall, der sich am Substrat befestigt und die Bildung eines Gitterwerks für die nachfolgenden Perowskitschichten auslöst.
Deutlich bessere optische und elektronische Eigenschaften
Auf diese Weise erstellten die Forscher gedruckte LEDs, die eine wesentlich höhere Leuchtkraft und deutlich bessere elektrische Eigenschaften aufweisen, als dies bisher mit additiven Fertigungsverfahren möglich war. Aber für List-Kratochvil ist dieser Erfolg nur ein Zwischenschritt auf dem Weg in die zukünftige Mikro- und Optoelektronik, von der er glaubt, dass sie ausschließlich auf hybriden Perowskit-Halbleitern basieren wird. "Die Vorteile einer einzigen universell einsetzbaren Werkstoffklasse und eines einzigen kostengünstigen und einfachen Verfahrens zur Herstellung jeder Art von Bauteil sind frappierend", sagt der Wissenschaftler. Deshalb plant er, alle wichtigen elektronischen Komponenten auf diese Weise in den Laboren von HZB und HU Berlin herzustellen.
