Schéma du procédé de revêtement par centrifugation utilisé pour produire des films épitaxiaux et des nanocristaux. Crédit :Meagan V. Kelso
Des chercheurs de Missouri S&T ont découvert un procédé économique de création de couches minces inorganiques performantes, ou films "épitaxiaux", utilisé dans la fabrication de semi-conducteurs pour l'électronique flexible, LED et cellules solaires.
La recherche est publiée aujourd'hui dans Science dans l'article intitulé "Spin Coating Epitaxial Films".
« Nous avons mis au point une méthode très simple qui n'a jamais été utilisée auparavant pour fabriquer ces films à partir d'une solution utilisant des centrifugeuses commerciales, " dit le Dr Jay Switzer, le professeur Donald L. Castleman/Foundation for Chemical Research of Discovery in Chemistry à Missouri S&T. "Il s'agit d'une voie peu coûteuse et facilement accessible vers des matériaux de type monocristallin qui devraient présenter des propriétés électroniques et optiques supérieures.
"En particulier, nos travaux avec des dépôts épitaxiaux très ordonnés du matériau pérovskite bromure de plomb césium, un nouveau semi-conducteur utilisé dans les cellules solaires photovoltaïques à haut rendement, est d'augmenter l'efficacité des cellules solaires produites avec ce matériau, ", ajoute Switzer.
L'épitaxie est la croissance de cristaux, ou films minces, dont l'orientation est déterminée par le substrat cristallin sur lequel ils sont déposés. Lorsque la structure atomique de ces cristaux s'aligne parfaitement avec leur substrat, le résultat final est un film avec des propriétés électroniques et optiques supérieures, rivalisant avec les attributs des monocristaux plus chers.
Images au microscope électronique et optique de bromure de plomb de césium épitaxié (A), (B) iodure de plomb, (C) chlorure de sodium et (D) oxyde de zinc. Crédit :Sciences 2019
Jusqu'à maintenant, Le revêtement par centrifugation a été principalement utilisé pour fabriquer des revêtements polymères lithographiques ou pour déposer des films semi-conducteurs organiques sur des substrats, mais les films résultants ont été soit polycristallins, soit sans structure cristalline—pas épitaxiés avec le niveau de perfection recherché requis pour l'électronique de pointe d'aujourd'hui.
« Nous avons appris à utiliser le revêtement par centrifugation pour fabriquer des films et des nanocristaux hautement orientés sur une variété de substrats inorganiques, " dit Switzer. " Jusqu'à maintenant, des films épitaxiaux atomiquement parfaits ont été réalisés par plusieurs autres méthodes, et certains d'entre eux sont très chers et nécessitent un ultra-vide."
Ces méthodes comprennent l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE), dépôt chimique en phase vapeur, épitaxie en phase liquide, traitement hydrothermal, dépôt en bain chimique et électrodéposition. Selon le programme Small Business Innovation Research (SBIR), Les machines MBE coûtent environ 1 million de dollars et bien plus pour les systèmes de production plus importants; et Switzer dit, chaque machine MBE doit être dédiée à un seul matériau. D'autres procédés épitaxiaux sont limités par des exigences de température et de pression élevées.
Sur une période de deux ans, l'équipe de recherche a montré que les films épitaxiaux de matériaux inorganiques tels que l'iodure de plomb, oxyde de zinc, Les structures cristallines de chlorure de sodium et de pérovskite pourraient être déposées sur des monocristaux ou des substrats comparables par simple revêtement par centrifugation de leurs solutions ou précurseurs des matériaux.
