‘Het moeilijke met dunnefilmlagen is dat je scheikunde en elektronica niet meer uit elkaar kunt halen’, begint Paul Heremans (58). ‘In een lab kun je pure kristallen maken, maar die krijg je daarna nooit als dunne film op een substraat. Daarvoor moet je de scheikunde in situ laten plaatsvinden, óp je elektronische componenten.’

Binnen de Leuvense hoofdvestiging van imec, Europa’s grootste onafhankelijke onderzoeksinstituut voor micro-elektronica, nanotechnologie en informatica, leidt Heremans het onderzoek naar dunnefilm-halfgeleiders. ‘Dun’ wil daarbij zeggen dat de laagdikte zich laat uitdrukken in nanometers, ‘halfgeleider’ houdt in dat ze beperkt elektronen doorlaten en daarbij allerlei fysische neveneffecten vertonen. Misschien wel de bekendste toepassing zijn oleds, de organische lichtgevende diodes die de beeldschermen van de duurdere smartphones en televisies bevolken. Maar dit voorjaar kende de European Research Council aan Heremans, tevens hoogleraar aan de KU Leuven, een ERC Advanced Grant van € 2,5 miljoen toe voor de ontwikkeling van nieuwe dunnefilmmaterialen die veel feller licht moeten kunnen geven dan zo’n oled ooit zal doen.

Zelf studeerde Heremans ooit af als elektronisch ingenieur. Hij doctoreerde op CMOS-siliciumchips en daarna koos hij voor de opto-elektronica. Mede dankzij zijn onderzoeksinspanningen evolueerden de klassieke ‘III-V leds’ – zo genoemd op basis van elementen uit de derde en vijfde groep van het periodiek systeem – van zwakke controlelampjes tot de uiterst energie-efficiënte lichtbronnen van nu.

Hoe kwam je van leds bij oleds?

‘Oleds zijn natuurlijk fascinerend voor iemand die bezig is met lichtemissie. Tegen het einde van de jaren negentig heb ik er voor het eerst een onderzoek naar gestart. Dat bepaalde organische moleculen lading geleiden, was al in de jaren zeventig ontdekt, maar het duurt even eer zo’n scheikundige uitvinding de aandacht trekt van mensen die applicatiegericht denken en het doorontwikkelen tot iets praktisch. In 1987 liet Ching Tang, een ingenieur die werkte bij Kodak, zien dat je er oleds mee kon maken. Daarna duurde het nog eens twintig jaar eer de grote doorbraak kwam: mobiele telefoons veranderden in userinterfaces voor internet, en daarvoor voldeden lcd’s niet meer.’

Wat was het nut van oleds, als er al zulke goede III-V leds waren?

‘De efficiëntie van oleds was toen nog ontiegelijk laag, maar het feit dat je ze kunt maken als dunne film, beloofde integratiemogelijkheden die je niet hebt met standaardledjes. Die produceer je als componentjes op een halfgeleider-wafer. Je moet de ledjes daar uitzagen en verpakken, om ze daarna één voor één op hun plek te zetten. Zodra de mogelijkheid ontstond om dunnefilmledjes te maken, besefte de display-industrie meteen dat ze hiermee veel makkelijker grote matrices van ledjes kon opbouwen. Op een ondergrond met elektrische contacten breng je per kleur één filmlaag aan, in een enkele processtap. Op de drie films voor rood, groen en blauw komt nog een tweede laag contacten, en je beeldscherm is klaar.’

Die ERC-grant suggereert dat de lichtsterkte nog wel een uitdaging is.

‘Dat is inherent aan het materiaal. Organische moleculen blijven meer isolerend dan anorganische halfgeleiders. De mobiliteit (een maat voor het gemak waarmee ladingsdragers door een materiaal gaan, red.) is ongeveer zes grootteordes lager. Je kunt er dus veel minder stroom doorheen jagen, en omdat je er voor elk foton een elektron in moet steken, is ook de helderheid fundamenteel beperkt. Voor een display is het voldoende, maar als je je telefoon probeert af te lezen in de zon, merk je dat je daar niet tegen op kunt boksen.

Daarom heb ik de ERC voorgesteld te gaan werken aan perovskieten, een materiaaltype dat momenteel sterk in opkomst is. De naam perovskiet slaat op een kristalstructuur die volledig kan bestaan uit anorganische bouwstenen, maar ook hybride organisch/anorganisch kan zijn, in de vorm van kristallen met holtes waarin organische blokjes zitten. In perovskieten ligt de mobiliteit ordegroottes hoger dan in organische halfgeleiders. En het mooie is dat ze ook veel licht kunnen geven. De laatste vijf jaar hebben verschillende groepen in de wereld aangetoond dat de externe kwantum­efficiëntie rond de 20 % ligt, wat heel goed is. En helderheid en efficiëntie zijn twee belangrijke basisingrediënten om superheldere leds en zelfs lasers te kunnen maken.’

Zijn het totaal andere perovskieten dan die in zonnepanelen?

‘Nee, het zijn vergelijkbare materialen. En ja, onze perovskieten kunnen dus ook slecht tegen vocht. Maar dat geldt ook voor oleds en er zijn dus al encapsulatietechnieken beschikbaar.’

Hoe maak je zulke dunne perovskietfilms?

‘Er zijn twee basismethodes. Je kunt een film maken door twee verschillende oplossingen, elk met een precursor van het perovskiet, sequentieel op te brengen. De tweede laag gaat over de eerste terwijl die nog nat is, zodat het materiaal in situ uitkristalliseert. Daarbij zijn ongeveer alle parameters kritisch: het tempo, de laagdiktes, de temperatuur, de vochtigheid enzovoort. Soms lukt het wel met het ene spincoatapparaat en niet met het andere. Dat maakt het heel tricky. Maar als je de uitdagingen ziet die de halfgeleiderindustrie al eerder is aangegaan in termen van procesbeheersing, dan weet je dat dat wel goed komt.

De tweede manier is om beide componenten tegelijk op te dampen. Maar er zijn maar weinig groepen op de wereld die dat beheersen, en daardoor gaat het minder snel vooruit. Bovendien kost het testen van een opdampproces met ionen je altijd een dure opdampkamer. Vanwege de contaminatie kun je die na afloop niet meer voor andere materialen gebruiken, en dat vormt dus een drempel om hieraan te beginnen.

Door met oplossingen te blijven werken, hopen we voorlopig voldoende kennis te kunnen opdoen. We moeten eerst maar eens bewijzen dat die materialen hun plek kunnen verdienen naast de oleds, die nu een multimiljardenbusiness zijn. Maar als het echt groot gaat worden en we aan industrialisatie moeten gaan denken, dan moeten we zeker weer naar opdampen gaan kijken.’

Kun je voorspellen wat een bepaald recept zal opleveren, of is het vooral trial-and-error?

‘Dat laatste. Maar omdat wereldwijd zo veel groepen hun resultaten publiceren, gaat het snel vooruit. Je moet constant bijblijven in de literatuur, en recepten die je tegenkomt óf negeren óf zelf proberen. Zo zijn we in een paar jaar tijd van 0,1 % naar 20 % efficiëntie gegaan.’

Ik kan me voorstellen dat je niet alles publiceert.

‘We hebben bij imec natuurlijk een heel scala aan onderzoeken. We kiezen altijd onderwerpen uit waarvan we denken dat ze grote industriële relevantie zullen hebben zodra we een doorbraak weten te realiseren. Wij zijn echter nog steeds een onderzoeksinstelling, dat staat in ons charter. Wij publiceren dus makkelijk, en redelijk veel. En dit onderzoek zit voor ons doen aan de fundamentele kant. Voor topics waarvan de financiering komt uit een ERC-grant, geldt trouwens een publicatieverplichting. Liefst in open access journals.’

Op welk moment ga je octrooi aanvragen?

‘Dat doen we redelijk snel. Je merkt ook dat business angels en anderen die gewend zijn in een heel vroeg stadium te investeren, nu al heel actief zijn binnen dit domein. Er zijn al spin-offs opgestart om perovskietzonnecellen te maken, terwijl die ook nog niet echt bewezen zijn. Ongetwijfeld zijn er ook al die lichtemitterende diodes willen maken.’

De ERC-aanvraag noemt lidar, zoiets als radar met lichtgolven, als mogelijke toepassing.

‘De vraag is waar een hoge helderheid echt een verschil maakt. Een telefoondisplay kan beter, maar het hoeft geen driehonderd keer te zijn. Ik verwacht dat augmented reality de eerste toepassing wordt. Er zouden makkelijke brillen moeten bestaan waarin een computer zit die informatie projecteert bovenop de reële wereld. Zo’n projectie moet je in vol zonlicht kunnen bekijken, terwijl ze afkomstig is uit een heel klein displaytje. Daar heb je veel meer helderheid voor nodig dan bij een telefoon. Lasers zijn een stap verder: die vragen nog hogere stroomdichtheden.’

Helpt het bij een ERC-aanvraag dat je zulke concrete toepassingen kunt noemen?

‘Je moet goed weten wat de verwachting is van de ERC. Ze willen daar een echte doorbraak. Een laser kennen we, maar een dunnefilmcomponent waar 1 kA/cm² door kan, waarin je een zogeheten populatie-inversie kunt krijgen die essentieel is voor een laser, en die ook nog voldoende licht kan emitteren, dat is een combinatie die echt nog nooit is gelukt. Daarbij moet je ook aangeven waarom je denkt dat je een piste gevonden hebt die het plausibel maakt om zo’n grote uitdaging aan te gaan.’

Heb je qua scheikunde veel moeten bijleren?

‘Dat is een goede vraag. Een principal investigator werkt niet alleen. Het lijkt me wel duidelijk dat ik me lekkerder voel in opto-elektronische halfgeleidercomponenten dan in scheikunde. In mijn team zit dus ook een scheikundige, en iemand die echt uit de optica komt. Multidisciplinair onderzoek heb je niet allemaal in één hoofd.

Op imec werken nu vierduizend mensen, dus ik kan geen discipline verzinnen of ik heb hier wel een echte specialist rondlopen. En uiteraard zijn we aanspreekbaar voor elkaar. Ik heb een eigen team van een zestal mensen die dagelijks met me in het lab werken, maar daarnaast heb ik een heel grote schil van competenties waarop ik een beroep kan doen.’