Hoe fundamenteel onderzoek naar nieuwe materialen tot alledaagse toepassingen leidt

Van fundamenteel onderzoek naar nieuwe materialen tot alledaagse toepassingen: Maria Antonietta Loi, hoogleraar fotofysica en opto-elektronica, toont al jaren aan dat deze stap niet moeilijk hoeft te zijn. Naast perovskieten richt zij zich momenteel op kwantumdots, die volgens haar zeer belangrijke toepassingen kunnen hebben in de fotodetectortechnologie: ‘Ik verwacht dat apparaten met kwantumdots een zeer belangrijke rol kunnen gaan spelen bij de detectie van infraroodlicht.’

^{Tekst: Thomas Vos, Corporate Communicatie RUG / Foto’s: Henk Veenstra}

Loi is altijd geïnteresseerd geweest in nieuwe materialen en halfgeleiders voor verschillende toepassingen. Loi: ‘Van huis uit ben ik iemand die de optische eigenschappen van materialen meet en interpreteert. De materialen waar ik me op richt, moeten licht omzetten in elektriciteit of elektriciteit in licht. Dit zijn de ingrediënten voor opto-elektronica, elektronische apparaten die lichtenergie gebruiken om elektronische energie op te wekken en vice versa. Kortom, als het iets te maken heeft met licht en elektriciteit, ben ik erin geïnteresseerd.’ Loi maakt hierbij gebruik van organische halfgeleiders, kwantumdots en perovskieten.

Goedkope zonnecellen met een groot oppervlak

Perovskieten behoren tot de belangrijkste materialen die Loi bestudeert. Maar wat zijn dat precies? Perovskieten vormen een grote klasse van materialen die worden gekenmerkt door hun specifieke kristalstructuur. Ze komen in de natuur voor, maar worden vooral in het lab gemaakt. Hun potentieel is opmerkelijk, aldus Loi: ‘Ze vertonen niet alleen uitstekende halfgeleidereigenschappen, maar zijn ook in oplosbaar. Dit betekent dat deze materialen als inkt kunnen worden aangebracht, waardoor ze ideaal zijn voor goedkope, grootschalige productietechnieken zoals het creëren van zonnecellen.’

Uitzonderlijk in het transporteren van elektriciteit

Toen Loi zich in perovskieten ging verdiepen, was hun volledige potentieel nog niet duidelijk. Loi: ‘We begonnen ongeveer tien jaar geleden met het bestuderen van perovskieten. Destijds kwam er steeds meer aandacht voor, omdat ze vanwege hun donkere kleur heel goed zijn in het absorberen van licht. We wisten echter nog niet hoe we het materiaal konden beheersen, hoe we thin films, extreem dunne lagen materiaal, konden maken, en hoe we de groei van de kristallen konden sturen. Daarom onderzochten we eerst de fundamentele eigenschappen. Vervolgens leerden we hoe we dunne films van loodhoudende perovskieten konden maken voor zonnecellen, waarna we overschakelden op perovskieten met tin, en perovskieten met zowel tin als lood. Tegenwoordig zijn we een van de beste groepen ter wereld op het gebied van tin-lood-perovskiet zonnecellen. Daaruit zijn inmiddels nieuwe bedrijven ontstaan, waarvan sommige al zonnepanelen op de markt brengen. Bijvoorbeeld door perovskieten te integreren met silicum. Dit kan al leiden tot een toename van 5 tot 8 procent efficiëntere energieopwekking per zonnepaneel.’

Longkanker opsporen met elektronische neus

Perovskieten hebben ook andere toepassingen. Loi: ‘We gebruiken ze ook om alcohols op te sporen. Het oppervlak van perovskieten zit vol met gaatjes waar alcoholmoleculen in kunnen gaan zitten. Als dit gebeurt, zien we een toename van de stroom tussen twee elektroden die op het oppervlak zijn aangebracht. Aangezien er sterke aanwijzingen zijn dat mensen met longkanker specifieke chemische stoffen uitademen zoals 1-propanol, een alcohol, willen we onze perovskiet-gasdetectoren graag inzetten als een elektronische neus om longkanker op te sporen. Hiervoor werk ik samen met Elisabetta Chicca, hoogleraar Bio-Inspired Circuits and Systems, die microchips maakt die zijn gebaseerd op biologische hersenen en die, net als de hersenen van een insect, verschillende signalen kunnen onderscheiden. Het Groningen Cognitive Systems and Materials Center, CogniGron, financiert dit onderzoek.’

Net als Legoblokjes

Ondanks de mogelijkheden van perovskieten zijn kwantumdots uiteindelijk het favoriete materiaal van Loi. Dit zijn halfgeleiderdeeltjes van enkele nanometers groot met optische en elektronische eigenschappen die kunnen worden aangepast op basis van hun grootte. Loi: ‘Kwantumdots bestaan al zo’n dertig jaar als materiaalklasse. In het begin werden ze alleen gebruikt vanwege hun optische eigenschappen. Pas in de afgelopen vijftien jaar hebben wetenschappers ook aandacht voor de mogelijkheden voor opto-elektronische apparaten. Het is nu duidelijk dat dit potentieel groot is, aangezien je kwantumdots als legoblokjes kunt gebruiken om zo het materiaal met de gewenste eigenschappen te maken.’

Fotodetectoren

Met haar recente ERC Proof of Concept-beurs, die voortbouwt op haar eerder toegekende ERC Advanced Grant, wil Loi het potentieel van deze kwantumdots aantonen, waarbij ze zich richt op de toepassing ervan in ultrasnelle fotodetectoren voor gebruik in geavanceerde sensortechnologie. Loi: ‘Als je kwantumdots in een rooster rangschikt, zoals Legoblokjes, kun je een metamateriaal maken, een materiaal waarvan de structuur de eigenschappen bepaalt, en niet de chemische samenstelling. Het belangrijkste hierbij is de kleur van het licht dat wordt uitgezonden of geabsorbeerd. Door de grootte van de kwantumdots aan te passen, kun je de kleur van het licht dat wordt geabsorbeerd of uitgezonden bepalen. Door ze in een soort superkristal te ordenen, kun je goede elektrische geleiding verkrijgen. En door het oppervlak van de kwantumdots functioneel te maken, kun je de mate van elektrische geleiding aanpassen. Dit is uiterst nuttig voor het maken van infrarood fotodetectoren. Dankzij ons eerdere onderzoek weten we al dat we de kwantumdots ook driedimensionaal kunnen ordenen, waardoor een superkristal ontstaat. Nu willen we hier fotodetectoren mee maken.'

Sneller en goedkoper

Loi heeft hoge verwachtingen: ‘Deze fotodetectoren zullen veel sneller zijn dan standaard kwantumdot-fotodetectoren, omdat we door het ordenen van de kwantumdots de snelheid waarmee elektronen worden vervoerd, kunnen vergroten. Dit is bijvoorbeeld nuttig in lidartechnologie, een manier om afstand te meten met behulp van licht en een snelle fotodetector. Zelfrijdende auto’s zouden hier bijvoorbeeld baat bij kunnen hebben. Lidartechnologie met gewone halfgeleiders is erg duur en beperkt daardoor de toepassingen in het dagelijks leven. Wij denken dat deze apparaten veel betaalbaarder zullen worden door ze te maken van geordende kwantumdots.’

Toepassingen zijn belangrijk

Hoewel het onderzoek van Loi in de kern fundamenteel is, vindt ze het belangrijk om toepassingen te ontwikkelen. ‘Fundamenteel onderzoek en de toepassing daarvan versterken elkaar. Als we de fundamentele eigenschappen van nieuwe materialen begrijpen, kunnen we ook de opto-elektronische apparaten die ermee worden gemaakt verbeteren, waardoor ons fundamenteel onderzoek relevanter en impactvoller wordt. Daarom ben ik blij dat ik niet alleen de faciliteiten heb om fundamenteel onderzoek te doen, maar ook alle apparatuur en cleanrooms die nodig zijn om opto-elektronische apparaten te maken.’

Meer informatie

• Maria Antonietta Loi
• Photophysics and OptoElectronics Group