IJzererts blijkt onverwachte grondstof voor halfgeleidermateriaal

Doodnormaal ijzererts uit een Amerikaanse mijn blijkt geschikt te zijn als grondstof voor een materiaal met halfgeleidereigenschappen. Onderzoekers van de University of Minnesota Twin Cities hebben aangetoond dat laagwaardig ijzererts rechtstreeks kan worden omgezet in halfgeleiderkwaliteit pyriet, beter bekend als ‘fool’s gold’.

De ontdekking draait om een onverwachte eigenschap van pyriet (FeS₂). Halfgeleiders zijn doorgaans extreem gevoelig voor verontreinigingen en defecten, waardoor voor de productie meestal zeer zuivere grondstoffen nodig zijn. De onderzoekers ontdekten echter dat pyriet veel toleranter is voor onzuiverheden dan gedacht.

Ze testten drie soorten ijzererts afkomstig uit de Minnesota Iron Range. Het beste resultaat werd bereikt met Direct Reduced Grade Taconite, een veelvoorkomende ertssoort in de regio. Het ruwe materiaal kon met relatief eenvoudige processen worden omgezet in pyriet met de eigenschappen die nodig zijn voor halfgeleidertoepassingen.

Filmzonnecellen, batterijen en elektronica

Juist het ontbreken van een extra zuiveringsstap maakt de aanpak interessant. Bij traditionele halfgeleidermaterialen kan het verwijderen van verontreinigingen een belangrijk en kostbaar onderdeel van het productieproces zijn.

Pyriet bestaat uit ijzer en zwavel, twee relatief overvloedige elementen, is niet giftig en absorbeert licht zeer sterk. Daardoor wordt al langer onderzocht of het materiaal kan worden gebruikt in bijvoorbeeld dunne-filmzonnecellen. Ook toepassingen in batterijen en elektronica zijn denkbaar. De echte vernieuwing zit daarom niet in het gebruik van pyriet als halfgeleider op zich, maar in het weglaten van de gebruikelijke eis van extreem zuivere grondstoffen. De resultaten suggereren dat een materiaal met een relatief eenvoudige samenstelling een veel vuilere grondstof kan verdragen zonder zijn relevante halfgeleidereigenschappen te verliezen. Dat kan de manier waarop naar grondstoffen voor elektronica wordt gekeken veranderen.

De technologie staat echter nog aan het begin. De onderzoekers hebben vooralsnog veel bulk-kristallen gemaakt. De volgende stap is daarom om uit het ijzererts dunne pyrietlagen te produceren en te onderzoeken hoe goed die functioneren in echte apparaten. Ook willen de onderzoekers meer soorten en kwaliteiten ijzererts testen.