IJzererts uit Minnesota blijkt geschikt voor goedkope halfgeleiders

Pyriet, ook bekend als 'fool's gold', staat al langer bekend als een veelbelovend materiaal voor elektronica. Het mineraal bestaat uit ijzer en zwavel, absorbeert licht extreem goed en is opgebouwd uit goedkope, ongiftige en overvloedig aanwezige elementen. Toch bleek het tot nu toe lastig om er bruikbare halfgeleiders van te maken, omdat halfgeleiders doorgaans extreem gevoelig zijn voor onzuiverheden in het uitgangsmateriaal. Onderzoekers gebruikten daarom altijd zeer zuiver, en dus duur, ijzererts als basis.

Een team onder leiding van materiaalkundige Chris Leighton van de University of Minnesota ontdekte nu dat dit helemaal niet nodig is. Ze namen erts rechtstreeks van de Minnesota Iron Range en zetten dat zonder extra zuiveringsstappen om in pyriet van halfgeleiderkwaliteit. Volgens de onderzoekers gedraagt pyriet zich anders dan een typische halfgeleider: het materiaal blijkt opvallend ongevoelig voor verontreinigingen in het erts. Van de drie geteste ertssoorten werkte 'Direct Reduced Grade Taconite' het beste, een van de meest gangbare kwaliteiten die in Minnesota wordt gedolven.

Honderd jaar ijzerindustrie als basis

Minnesota is verantwoordelijk voor ongeveer 75 procent van alle ijzerertsproductie in de Verenigde Staten en levert de sector jaarlijks meer dan 4 miljard dollar op. De ontginning draait al decennia op het zogeheten taconietproces, een techniek die begin twintigste eeuw is ontwikkeld aan dezelfde universiteit om laagwaardig erts uit de Mesabi Iron Range bruikbaar te maken. Dat er nu ook halfgeleidermateriaal uit datzelfde erts kan worden gehaald, opent volgens de onderzoekers een geheel nieuwe afzetmarkt voor een sector die al meer dan een eeuw bestaat.

Belangrijk is dat het materiaal zijn kristalstructuur behoudt ondanks de vervuilingen in het ruwe erts. Juist die eigenschap maakt het mogelijk om dure zuiveringsprocessen over te slaan, wat de productiekosten flink kan drukken.

Van accu's tot waterzuivering

De onderzoekers zien toepassingen in onder meer batterijen, zonnepanelen, elektronica en waterzuiveringstechnologie. Omdat pyriet uit een lokaal en overvloedig beschikbaar mineraal ontstaat, zou het de afhankelijkheid van schaarse of moeilijk te winnen grondstoffen kunnen verminderen. Dat is relevant nu de vraag naar materialen voor zonnepanelen en accu's wereldwijd blijft groeien.

Het team wil vervolgonderzoek doen naar andere ertskwaliteiten uit de regio, die in tientallen variëteiten voorkomen. Daarnaast willen de wetenschappers overstappen van blokvormige pyrietkristallen naar dunne films, de vorm waarin materiaal daadwerkelijk in elektronische apparaten wordt verwerkt. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Applied en uitgevoerd door onder meer Yeon Lee, Caitlyn Komar en Jennifer T. Mitchell, in samenwerking met het Natural Resources Research Institute van de universiteit.