Chalcogenides zitten al in sommige nieuwe tv’s, maar bevinden zich vooral in de fundamentele onderzoeksfase. De halfgeleiders hebben eigenschappen die interessant kunnen zijn voor nieuwe computerchips, zonnecellen en verlichting.

De publicatiestroom over chalcogenides is onstuitbaar. Het aantal varianten en eigenschappen lijkt schier oneindig. Chemici kunnen namelijk variëren met combinaties van elementen en de omstandigheden waaronder kristalstructuren zich vormen. Dat geldt ook voor variaties in toepassingen. Chalcogenides als cadmiumsulfide, molybdeendiselenide of koper-zink-tinsulfide zijn namelijk halfgeleiders met bijzondere eigenschappen. Ze kunnen bijvoorbeeld als zonnecel functioneren of licht produceren.

Een vast ingrediënt in chalcogenides is, zoals de naam aangeeft, een chalcogeen: zwavel, seleen of telluur in combinatie met een veel groter scala aan elektropositieve elementen. Met overgangsmetaal-chalcogenides als molybdeendiselenide en molybdeendisulfide zijn op labschaal simpele transistoren en microprocessors gebouwd. Nanodraadjes van wolfraamdisulfide hebben eigenschappen van een ogenschijnlijk onverslijtbare, oplaadbare batterij.

 

Siliciumvervangers

Zo’n chalcogenidelaagje is precies drie atomen dik. Lange tijd was het een flinke uitdaging om zulke laagjes te synthetiseren, maar geleidelijk wordt de synthese steeds beter reproduceerbaar. ‘Toch ligt een laptop met chalcogenideschakelingen voorlopig niet in de winkel’, stelt Cedric Huyghebaert, R&D-groepsleider nano applications material engineering bij imec. Zijn groep onderzoekt nieuwe materialen die op termijn traditionele siliciumhalf­geleidertechnologie kunnen vervangen, zodat je computerchips kleiner en vooral energie-efficiënter kunt maken. Kandidaatmateri­alen zijn bijvoorbeeld grafeen, boornitride en dus ook chalcogenides.

De meeste publicaties over chalcogenides met overgangsmetalen draaien om het onderzoek aan flakes. Dat zijn kleine stukjes afkomstig van een groter, gelaagd kristal. Huyghe­baert: ‘Het is een interessante onderzoekaanpak, maar je kunt er geen productietechnologie voor chips mee maken. Chalcogenides zijn wel heel interessant omdat hun halfgeleidereigenschappen goed aansluiten bij kennis en technologie in de chipsindustrie.’

Er liggen alleen nog wat fundamentele opgaven, zoals chalcogenidelaagjes simpelweg aansluiten op andere onderdelen van de chip. ‘Belangrijke criteria voor toepassing zijn verder stabiliteit, en weerstand tegen oxidatie en hoge temperaturen. Molybdeen­disufide en wolfraamdisulfide zijn tot nu uitgebreid onderzocht, omdat dat redelijk stabiele materialen zijn. Ze zijn niet binnen een dag verpulverd.’

Huyghebaerts groep bekijkt de gesynthetiseerde laagjes met elektronenmicroscoop, Ramanspectroscopie en AFM. Met X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) scant hij het oppervlak met een röntgenstralenbundel die elektronen losmaakt. Detectie daarvan geeft informatie over de chemische samenstelling en dus ook over verontreinigen en imperfecties. Zo duidt aanwezigheid van zuurstof op oxidatie. De ideale methode om chalcogenides te analyseren is er nog niet, aldus Huyghebaert. ‘Waar we eigenlijk nog naar op zoek zijn is een techniek die tijdens de productie van chips defecten kan opsporen. Dat soort analyse­methodologie is een heel belangrijke factor voor succesvolle ontwikkeling van een nieuwe chiptechnologie.’

 

Nieuw type tv

Toch is onderzoek aan chalcogenides niet alleen chemie van de toekomst. Bezitters van een nieuwe tv hebben soms al een apparaat in huis dat kleuren weergeeft door deze klasse nieuwe verbindingen. Als je namelijk van cadmiumsulfide of cadmiumselenide nanodeeltjes maakt, krijgen ze bijzondere foto-actieve eigenschappen.

Zulke kristalletjes, bekend onder de naam kwantumdots, absorberen en emitteren licht, waarbij de diameter van het deeltje de golflengte van het uitgezonden licht bepaalt. Een klein formaat van zo’n 2 nm doorsnede zendt blauw licht uit, een iets groter formaat van 6 nm zendt uit in het rode deel van het spectrum.

Een aantal producenten van tablets en tv’s is er in 2015 in geslaagd zulke nanodeeltjes op dragers te printen. Het grote voordeel van een scherm met chalcogenidenanokristallen is een hogere lichtopbrengst bij een lager energieverbruik, een groter kleurenspectrum en een langere levensduur. Samsung zegt sinds begin 2017 helemaal geen cadmium meer te gebruiken, maar chalcogenides op basis van indium. Daar­mee neemt het bezwaren tegen milieuonvriendelijk elektronica-afval weg.

Chalcogenides kun je maken met twee elementen, maar er zijn ook andere combinaties mogelijk, met drie of vier elementen. Zo is koper-zink-tinselenide geschikt voor zonneceltoepassingen en heeft koper-indiumsulfide interessante luminescerende eigenschappen.

 

Koper-indiumsulfide

Scheikundige Anne Berends, promovendus bij het Debye Institute for Nanomaterials Science in Utrecht, richt haar onderzoek op de synthese van koper-indium-sulfide­nanodeeltjes. Dit type deeltjes kun je toepassen in biomedisch onderzoek. Berends: ‘Er zijn al onderzoeken gedaan waarbij luminescerende nanodeeltjes een eiwitlaagje krijgen, waardoor ze in een bepaald orgaan binden, dat je vervolgens echt ziet oplichten.’

 

‘Flakes vormen geen basis voor een productietechnologie’

Chalcogenidenanodeeltjes synthetiseren is nog geen standaardchemie, aldus Berends. ‘De nanodeeltjes die Samsung in zijn televisies gebruikt, zijn wel op industriële schaal te maken, maar voor koper-indium-disulfide geldt dat nog niet. De uitdaging is om de reactiviteit van de uitgangsstoffen zo af te stemmen dat er eerst kernen ontstaan en vervolgens alle deeltjes in dezelfde snelheid aangroeien. Bij een binair materiaal met twee elementen is dat vrij eenvoudig. Maar hoe meer elementen je wilt toevoegen, hoe ingewikkelder het wordt.’

Uitgangsstoffen als indiumacetaat, koper­acetaat en dodecaanthiol hebben een eigen reactiviteit, die de kristalstructuur en dus de vorm van het nanodeeltje bepalen. Berends: ‘Niemand weet precies hoe het werkt, dus moet je veel uitproberen om te zien wat de perfecte combinatie is van uitgangsstoffen, oplosmiddelen, temperatuur en reactietijd. Het is een samenspel en er zijn veel variabelen. Naarmate je meer ervaring krijgt, weet je beter onder welke omstandigheden je een bepaalde kristalstructuur krijgt en of er bijvoorbeeld plaatjes of bolletjes ontstaan.’

De vorm heeft weer invloed op de opto-elektronische eigenschappen. ‘Mijn project is gericht op het maken van tweedimensionale deeltjes, dus heel dunne plaatjes. Deels omdat we bijzondere eigenschappen verwachten, maar ook fundamenteel: is het chemisch mogelijk en kunnen we eraan meten? Met kopersulfide lukt het al om nanoplaatjes te maken, met koper-indium-disulfide nog niet helemaal. Maar mijn promotie duurt nog anderhalf jaar.’

Berends onderzoekt onder meer methodes om van gewone kopersulfide nanodeeltjes koper-indiumdisulfidedeeltjes te maken, door heel geleidelijk koperionen te verwisselen door indiumionen. Zo kun je nanodeeltjes maken in een vorm en samenstelling die je via directe synthese niet kunt bereiken.

 

Maximale luminescentie

Behalve met elektronenmicroscopie onderzoekt Berends de luminescentie-eigenschappen ook met spectroscopische technieken. Daarbij sla je een oplossing van nanodeeltjes in tolueen aan met licht van uiteenlopende golflengtes. De golflengtes waarbij absorptie en luminescentie maximaal zijn, hangen dus af van de grootte en de kristalvorm van de deeltjes. Koper-indiumdisulfide deeltjes stralen bijvoorbeeld voornamelijk in het rood en het infrarood.

Berends beschrijft haar onderzoek als heel interdisciplinair. ‘Enerzijds is de synthese van nanodeeltjes in verschillende vormen en groottes enorm uitdagend. Aan de andere kant draait het karakteriseren veel meer om natuurkunde. De apparatuur is nog vrij eenvoudig, maar de resultaten interpreteren blijft een leuke uitdaging.’