Zodra de inkt het canvas raakt, licht het helder groen op. Dit demonstratie-experiment – dat niet zou misstaan op een wetenschapsshow – toont hoe een reactieve inkt en een reactief canvas razendsnel reageren tot een halfgeleider die felgekleurd licht uitzendt. De nieuwe techniek, ontwikkeld in Amsterdam, is kunstzinnig, maar ook relevant voor de elektronica-industrie waar veel halfgeleidermaterialen gebruikt worden.
De halfgeleider in het experiment die groen oplicht bestaat uit perovskiet. Dit is een veelbelovend materiaal dat gebruikt kan worden in zonnecellen, sensoren en ledlampjes. Het licht op omdat de halfgeleider geactiveerd wordt door een uv-lamp. De inkt en het canvas reageren allebei niet op dit uv-licht; dit effect is voorbehouden aan het halfgeleidermateriaal dat ontstaat als die twee met elkaar reageren.
‘In plaats van verf op een materiaal te smeren, onderzochten we manieren waarop de verf een chemische reactie aangaat met het canvas waardoor het canvas wordt omgezet naar het materiaal dat je wilt hebben’, licht Wim Noorduin van het Amsterdamse onderzoeksinsituut AMOLF toe.
Halfgeleiders schilderen
De reactieve inkt en canvas die de onderzoekers hebben ontwikkeld, zijn eenvoudig in gebruik. In een handomdraai heb je een oppervlak met een laagje halfgeleidend materiaal. Dat demonstreren ze in een filmpje waarin ze een portret van de dubbele Nobelprijswinnaar Marie Curie airbrushen. ‘Je kunt de inkt ook aanbrengen met allerlei andere technieken die je ook gebruikt voor verf’, vertelt Noorduin. ‘Bijvoorbeeld stempelen, schilderen met kwasten of stiften.’
Hoe simpel de techniek nu ook lijkt, het was ingewikkeld en tijdrovend om de juiste inkt en het juiste canvas te ontwikkelen. ‘De uitdaging was het ontwikkelen van de chemische reactie en de condities: de hoeveelheid inkt, de druk, de eigenschappen van het canvas. Dat was allemaal niet bekend en als je het niet precies goed hebt, werkt het niet’, zegt Lukas Helmbrecht van AMOLF.
Chemische reactie
Hoe werkt de techniek precies? Om een reactief canvas te maken, smeren de onderzoekers eerst een laagje nanokristallen van loodcarbonaat op een gewoon canvas. Van hout tot steen en staal, van alles is mogelijk. ‘Alleen als je de nanokristallen aanbrengt op iets wat zacht en vervormbaar is, zou de laag kunnen breken’, vertelt Helmbrecht.
Als deze ‘grondlaag’ gezet is, kunnen de onderzoekers gaan schilderen. De inkt die ze in het demonstratie-experiment gebruiken is methylammoniumbromaat. Als deze stof in contact komt met het loodcarbonaat op het canvas, dan reageert het bijna onmiddellijk tot de halfgeleider perovskiet. Bij de reactie komen er kleine hoeveelheden van een paar stoffen vrij die snel verdampen. Dat zijn de onschadelijke stoffen water, methylamine en CO2.
Groen, rood en blauw
In het filmpje tonen de onderzoekers groen perovskiet. Door andere inkten te gebruiken, kunnen ze ook rood of blauw perovskiet maken. Ook andere halfgeleidermaterialen zijn mogelijk door andere inkten of canvasmaterialen te gebruiken. Omdat de inkt niet uitloopt, kunnen er bovendien heel nauwkeurig halfgeleiderpatronen aangebracht worden op een oppervlak.
Bij de huidige (industriële) technieken om halfgeleiders aan te brengen wordt vaak geëtst. Daarbij kunnen halfgeleiders zoals perovskiet beschadigd raken. Bij de nieuwe techniek lijkt de kans op beschadigingen kleiner. Bovendien is het een eenvoudigere methode waarmee patronen van verschillende halfgeleiders naast elkaar aangebracht kunnen worden op bijvoorbeeld een chip of ledlamp. Om de toepasbaarheid van de techniek verder te onderzoeken, gaan verschillende onderzoeksgroepen bij Amolf ermee aan de slag.