Mikromanipulation von Perowskit-Dünnschichten mittels Laserstrahlung

Gedruckte optoelektronische Bauteile versprechen eine kostengünstige Herstellung von Solarzellen, Displays, Transistoren, Sensoren und Laserdioden. Organik-Metallhalogenid- (OMH-) Perowskite eignen sich aufgrund ihrer hohen Absorption, langen Ladungsträgerlebensdauern und hohen Lichtverstärkungsfaktoren hervorragend für die Verwendung in einer Vielzahl solcher Bauelemente. Sie können in Form von gedruckten Dünnschichten als Solarzellen und Laserdioden auch auf mechanisch flexiblen Substraten Anwendung finden. Um aus den Dünnschichten die unterschiedlichen Bauteile zu formen sind materialspezifische Strukturierungsprozesse nötig. Deren Umsetzung mittels Laserstrahlung verspricht eine hohe Präzision, schnelle Anpassungen der Strukturierungsgeometrien und eine gute Integrierbarkeit in industrielle Druckprozesse.
In dieser Arbeit werden daher hochpräzise Ultrakurzpuls- (UKP-) Laser für die Manipulation der OMH-Perowskitschichten aus Methylammoniumbleiiodid $(MAPbI_{3})$ und aus dem Mischperowskit $Cs_{0.10}(FA_{0.83}MA_{0.17})_{0.90}Pb_{0.84}(I_{0.84}Br_{0.16})_{2.68}$ eingesetzt. Zunächst wird ein Überblick über die nötigen Pulsenergien zur Oberflächenstrukturierung und zur vollständigen Abtragung der $MAPbI_{3}$-Schicht für Wellenlängen des sichtbaren Bereichs gegeben. ... mehrAnschließend wird die Photolumineszenz (PL) des $MAPbI_{3}$ ausgenutzt, um einen in-situ Kontrollprozess für das vollständige Abtragen des $MAPbI_{3}$ ohne Beschädigung der darunterliegenden Schichten zu entwickeln. Über die Rot-Verschiebung des PL-Maximums sowie über den Anstieg der PL mit der verwendeten Pulsenergie des Lasers kann die optimale Pulsenergie für das vollständige Abtragen des $MAPbI_{3} $ermittelt werden.
Mithilfe der Oberflächenstrukturierung werden erstmals Laserkavitäten direkt in die Schicht des Mischperowskits geschrieben. Dabei werden Interferenzen der Laserpulse an der Mischperowskitoberfläche ausgenutzt, um Gitter mit Perioden, die kleiner als die Laserwellenlänge sind, in die Mischperowskitschicht zu schreiben. Die Gitterperiode lässt sich über die Laserwellenlänge anpassen. Die Gitter bilden horizontale Kavitäten auf der Schicht, wodurch die Mischperowskitschicht nach optischer Anregung Laserstrahlung emittiert.
Mit schwächeren Laserpulsen, die keine Oberflächenstrukturierungen bewirken, konnten die ferroelektrischen Domänen des $MAPbI_{3}$ in der Ausrichtung ihrer Polarisation beeinflusst werden. Die UKP-Strahlung führt zu einer schnellen Erwärmung in der Schicht, die zu Umorientierungen der Domänen führt. Anhand von Piezoantwort-Rasterkraftmikroskopiebildern werden Theorien entwickelt, die diese Umorientierungen erklären, und eine daraus resultierende mögliche Reduzierung der Verspannungen im Kristall wird diskutiert.
Die in dieser Arbeit erforschten gezielten Manipulationen helfen, die für Solarmodule und Laserdioden nötigen Strukturierungsschritte in kontinuierlichen Herstellungsverfahren umzusetzen. Weiterhin können die entwickelten Strukturierungsprozesse in der Herstellung von Displays, Transistoren und Sensoren aus $MAPbI_{3}$ und ähnlichen Materialien Anwendung finden.