アメリカのミネソタ大学ツインシティキャンパスの研究者たちは、ミネソタ州の低純度の鉄鉱石が半導体グレードのペロブスカイトに直接変換できることを証明しました。これは将来の太陽光発電パネル、バッテリー、電子機器に対して、より安価な材料源を提供する可能性があります。ペロブスカイトは一般に「愚者の金」として知られ、異常な半導体です。強い光を吸収し、豊富な元素から構成されており、無毒で安価です。しかし、高品質の半導体ペロブスカイトを製造するには、通常、高度に精製された原材料が必要です。なぜなら、不純物や欠陥が半導体の性能に干渉するからです。
ミネソタチームは、これが必ずしも必要ではないかもしれないことを発見しました。研究者たちは、ミネソタの鉄鉱帯から直接採取した鉄鉱石サンプルを利用して、追加の精製ステップなしで半導体グレードの硫化鉄を成功裏に生産しました。この発見は、ミネソタ州にとって特に重要であり、同州はアメリカの鉄鉱石生産量の約75%を占め、毎年この産業から40億ドル以上の収入を生み出しています。鉄鋼生産を支える資源は、半導体材料の供給源になる可能性があります。
ミネソタ州の低純度鉄鉱石の潜在能力が証明される
研究者たちは3種類の異なる鉄鉱石をテストし、ミネソタ州で最も一般的なグレードの1つである直接還元グレードタコナイトが最も良い結果を示すことを発見しました。この結果は、半導体材料が通常、不純物に対して非常に敏感であるため、チームを驚かせました。逆に、ペロブスカイトは不純物に対する予想外の耐性を示し、半導体応用に必要な特性を維持しました。研究の上級著者である化学工学および材料科学科のクリス・レイトン教授は、「私たちはペロブスカイトが典型的な半導体とは異なることに気づきました—それは不純物に対する免疫力が驚くべきものでした。」と述べました。
彼は続けて、「したがって、半導体ペロブスカイトを製造するために本当に高純度の材料が必要なのか疑問に思いました。」と述べました。研究者たちは、低純度の鉱石が追加の精製なしでペロブスカイトに直接加工できることを発見し、これが半導体グレード材料の生産における潜在的な高コストのステップを排除する可能性があることを示しました。
ペロブスカイトの多様な応用の展望
レイトンは、「これは不可能だと思わせる理由がたくさんありますが、ミネソタ鉄鉱帯からの低純度の鉄鉱石を加工することで、追加の精製ステップなしで半導体グレードのペロブスカイトに簡単に変換できることが分かりました。これは、私たちが今かなり明確に理解している理由に基づいています。」と付け加えました。チームは、不純物が高品質のペロブスカイトの形成を妨げない理由を理解することが、豊富な資源から類似の材料を開発するプロセスを指導するのに役立つと述べています。ペロブスカイトの潜在的な応用は、従来の半導体デバイスに限られません。ペロブスカイトの光を吸収する能力は、太陽光技術にとって非常に興味深く、その成分と低コストは、バッテリーや電子製品での利用も可能にするかもしれません。
研究者たちは、ペロブスカイトの水質浄化における潜在的な応用についても指摘しました。しかし、これらの用途はまだ未来の可能性であり、チームはこの材料のデバイス関連形式での性能をテストする計画です。
次の段階では、鉄鉱帯に含まれるさまざまな種類とグレードの鉄鉱石を調査することが含まれます。研究者たちは、バルクのペロブスカイト結晶を超えて、電子機器やエネルギー機器により関連性のある薄膜を生産することを望んでいます。この方法は、すでに大規模に採掘されている鉄資源に別の用途を創造する可能性があります。製造業者は、高度に精製された原材料を使用して特別な半導体材料を製造する必要がなく、より豊富であまり精製されていない鉄鉱石から始める可能性があります。ミネソタ州にとって、これは既存の鉱業産業を中心に新しい技術的な道を築くことを意味するかもしれません。
材料エンジニアにとって、この研究は異なる洞察を提供します：半導体応用には不純すぎると思われる材料が、予想以上に高い耐性を持つ可能性があるということです。この研究は『Physical Review Applied』に発表されました。