Perowskit: Umweltfreundliche Transistorherstellung

6. September 2021

Physiker haben einen Weg gefunden, Transistoren aus Materialien herzustellen, die vielversprechende Kandidaten für den Einsatz in Solarzellen und Leuchtdioden (LEDs) der nächsten Generation sind. Die Forscher:innen haben das Problem überwunden, dass Ionen im Material den elektrischen Stromfluss durch einen Transistor behindern. Dieser Durchbruch könnte den Weg für umweltfreundlichere Komponenten für kostengünstige elektronische Geräte ebnen.

Wissenschaftler stellen Transistoren aus Perowskit her und überwinden Hindernis durch Ionen

In den letzten zehn Jahren waren lösungsgefertigte Metallhalogenid-Perowskite (ein hybrides metallorganisches Material) ein wichtiger Forschungsschwerpunkt für kostengünstige, hocheffiziente Solarzellen und LEDs. Da sie bei relativ niedrigen Temperaturen verarbeitet werden können, gelten Perowskite als umweltfreundlichere Alternative zu Silizium, nicht nur für die Herstellung von Solarzellen, sondern auch für Transistoren. Transistoren sind die Bausteine eines integrierten Schaltkreises und die Schlüsselkomponente in vielen elektronischen Geräten.

Transistoren funktionieren über ein Gate-System: Elektronen fließen zwischen einer "Source" und einem "Drain", und ihr Fluss wird durch ein elektrisches Feld gesteuert, das an das "Gate" angelegt wird. In einem Transistor stört das Vorhandensein von Ionen den elektronischen Stromfluss und macht den Transistor unbrauchbar. Metallhalogenid-Perowskite sind reich an Ionen. Wenn ein elektrisches Feld an einen Perowskit-Transistor angelegt wird, reagieren diese Ionen auf das elektrische Feld, indem sie zum Gate gezogen werden und sich dort ansammeln, wodurch der Elektronenfluss zwischen Source und Drain effektiv blockiert wird.

Um dieser Störung entgegenzuwirken, haben Wissenschaftler in den letzten zehn Jahren nach Möglichkeiten gesucht, die Ionen so zu manipulieren, dass ihre negativen Auswirkungen auf den Perowskit-Transistor minimiert werden.

Wissenschaftler der University of Bath und des Max-Planck-Instituts für haben eine Lösung für das Perowskit-Problem gefunden, die es ermöglicht, bei Raumtemperatur funktionierende Transistoren aus dem Material herzustellen. Der Transistor wurde so "ausgetrickst", dass er den Ionengehalt des Materials ignoriert, indem diese elektrisch geladenen Atome vom Gate weg in einen anderen Teil des Transistors verlagert werden, wo sie den Stromfluss nicht stören können.

"Bisher hat das Vorhandensein von Ionen in Perowskiten die Verwendung von Perowskiten in Transistoren schwierig gemacht. Wir fanden das schade, denn Perowskite sind sehr vielversprechende Halbleitermaterialien", sagte der leitende Forscher Professor Kamal Asadi vom Fachbereich Physik der Universität Bath.

Er fügte hinzu: "Bei Raumtemperatur sind die Ionen des Perowskits ziemlich mobil. Um Perowskit-Transistoren zum Laufen zu bringen, hat man die Temperatur gesenkt, weil die Ionen bei niedrigen Temperaturen weniger beweglich sind. Aber in der Praxis würde das bedeuten, dass unsere Perowskit-Geräte nur im Kühlschrank oder in der Antarktis zuverlässig funktionieren würden.“

"Wir betrachteten das Problem aus einem anderen Blickwinkel. Wir haben die Konstruktion der Transistoren verändert, anstatt das Material zu verändern, was zu einem Transistor mit einem zusätzlichen Hilfsgate führte. Die Ionen werden dann zum Hilfsgate geschoben und in ihrer Position fixiert. Wenn man dann ein elektrisches Gate-Feld anlegt, sehen die Elektronen nun das Gate-Feld, reagieren darauf und ein Elektronenfluss zwischen Source und Drain wird hergestellt."

Das Hilfs-Gate wurde durch Aufbringen einer ferroelektrischen Schicht auf den Transistor erzeugt. Ferroelektrika (dielektrische Materialien, die eine stabile Polarisation aufweisen, wenn das äußere elektrische Feld ausgeschaltet ist) können eine große Oberflächenladung erzeugen, die Ionen anzieht und sie in ihrer Position hält, wodurch das Gate für den Elektronenfluss frei wird. Das Team in Bath ist das erste, das das Konzept der Ferroelektrizität nutzt, um den Ionentransport abzuschwächen.

"Die Ionen vom Transportkanal wegzudrängen, kann nur mit zusätzlichen Gate-Materialien erreicht werden, die große Oberflächenladungen induzieren können, wie Ferroelektrika oder Elektrolyte", erklärt der Erstautor der Arbeit, Dr. Beomjin Jeong vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung. "Wir haben uns für ferroelektrische Polymere entschieden, weil sie kompatibel sind und sich leicht auf der Perowskit-Schicht verarbeiten lassen."

Die an diesem Projekt beteiligten Wissenschaftler:innen gehen davon aus, dass die von ihnen entwickelte Plattform auf breites Interesse stößt und andere Forscher:innen die Suche nach Materialien mit hoher Oberflächenladungsdichte, die sich mit Perowskit kombinieren lassen, ausweiten werden. Eine gute Kontrolle über die Anzahl der Ionen im Transistorkanal, die durch eine ferroelektrische Schicht erreicht wird, dürfte auch für andere Anwendungen von Vorteil sein, bei denen eine gleichzeitige Kontrolle von Ionen und Elektronen erforderlich ist.

„Room-temperature halide perovskite field-effect transistors by ion transport mitigation" ist in Advanced Materials veröffentlicht.

Weitere interessante Beiträge

Zur Redakteursansicht