Un minuscolo chip di silicio - il quadrato arancione luminoso al centro di questo speciale dispositivo di riscaldamento - viene riscaldato a una temperatura ben al di sotto del punto di fusione del silicio, e poi molto lentamente raffreddato. Il chip all'interno di questo dispositivo di riscaldamento è stato posizionato nel percorso di un raggio di sincrotrone per sondarne i cambiamenti a livello molecolare durante il processo di fusione retrograda. Foto:Patrick Gillooly
Come un cubetto di ghiaccio in una giornata calda, la maggior parte dei materiali si scioglie, cioè passare da uno stato solido a uno liquido, man mano che si riscaldano. Ma alcuni materiali stravaganti fanno il contrario:si sciolgono quando si raffreddano. Ora un team di ricercatori del MIT ha scoperto che il silicio, il materiale più utilizzato per chip di computer e celle solari, può esibire questa strana proprietà di "fusione retrograda" quando contiene alte concentrazioni di alcuni metalli disciolti in esso.
Il materiale, un composto di silicio, rame, nichel e ferro, "si scioglie" (in realtà si trasforma da solido a una miscela simile a una fanghiglia di materiale solido e liquido) quando si raffredda sotto i 900 gradi Celsius, considerando che il silicio normalmente fonde a 1414 gradi C. Le temperature molto più basse consentono di osservare il comportamento del materiale durante la fusione, basato su una tecnologia specializzata di microsonda a fluorescenza a raggi X che utilizza un sincrotrone, un tipo di acceleratore di particelle, come fonte.
Il materiale e le sue proprietà sono descritte in un articolo appena pubblicato online sulla rivista Materiale avanzato. Capogruppo Tonio Buonassisi, l'Assistant Professor SMA di Ingegneria Meccanica e Produzione, è l'autore senior, e gli autori principali sono Steve Hudelson MS '09, e borsista post-dottorato Bonna Newman PhD '08.
I risultati potrebbero essere utili per ridurre il costo di produzione di alcuni dispositivi a base di silicio, specialmente quelli in cui piccole quantità di impurità possono ridurre significativamente le prestazioni. Nel materiale studiato dal Buonassisi e dai suoi ricercatori, le impurità tendono a migrare verso la parte liquida, lasciando dietro di sé regioni di silicio più puro. Ciò potrebbe rendere possibile la produzione di alcuni dispositivi a base di silicio, come le celle solari, usando un meno puro, e quindi meno costoso, grado di silicio che verrebbe purificato durante il processo di fabbricazione.
“Se riesci a creare piccole goccioline liquide all'interno di un blocco di silicio, servono come piccoli aspirapolvere per aspirare le impurità, ” dice Buonassisi. Questa ricerca potrebbe anche portare a nuovi metodi per realizzare array di nanofili di silicio, minuscoli tubi altamente conduttivi al calore e all'elettricità.
Buonassisi ha predetto in un articolo del 2007 che dovrebbe essere possibile indurre la fusione retrograda nel silicio, ma le condizioni necessarie per produrre un tale stato, e studiarlo a livello microscopico, sono altamente specializzati e si sono resi disponibili solo di recente. Per creare le condizioni giuste, Buonassisi e il suo team hanno dovuto adattare un microscopio "hot-stage" dispositivo che ha permesso ai ricercatori di controllare con precisione la velocità di riscaldamento e raffreddamento. E per osservare effettivamente cosa stava succedendo mentre il materiale veniva riscaldato e raffreddato, hanno attinto a sorgenti di raggi X ad alta potenza basate su sincrotrone al Lawrence Berkeley National Laboratory in California e all'Argonne National Laboratory in Illinois (i ricercatori di entrambi i laboratori nazionali sono coautori dell'articolo).
Un wafer di silicio, che è il materiale più utilizzato per i chip dei computer e le celle solari. Foto:Patrick Gillooly
La ricerca è stata sostenuta dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, la Fondazione Nazionale della Scienza, la Fondazione Clare Booth Luce, Doug Spreng e la Fondazione della famiglia Chesonis, e alcune apparecchiature sono state fornite da McCrone Scientific.
Il materiale per le prove consisteva in una sorta di sandwich formato da due sottili strati di silicio, con un ripieno di rame, nichel e ferro tra di loro. Questo è stato prima riscaldato abbastanza da far dissolvere i metalli nel silicio, ma al di sotto del punto di fusione del silicio. La quantità di metallo era tale che il silicio diventava sovrasaturato, cioè più del metallo è stato disciolto nel silicio di quanto sarebbe normalmente possibile in condizioni stabili. Per esempio, quando un liquido viene riscaldato, può dissolvere più di un altro materiale, ma poi una volta raffreddato può diventare sovrasaturato, fino a quando il materiale in eccesso non precipita.
In questo caso, dove i metalli sono stati disciolti nel silicio solido, “se inizi a raffreddarlo, raggiungi un punto in cui induci la precipitazione, e non ha altra scelta che precipitare in una fase liquida, ” dice Buonassisi. È a quel punto che il materiale si scioglie.
Matthias Heuer, un ricercatore senior presso Calisolar, una startup di energia solare, afferma che questo lavoro è “unico e nuovo nel nostro campo, " e "consente un'ottima visione di come interagiscono i metalli di transizione e i difetti strutturali". Ma aggiunge che ci sono ancora una serie di domande a cui rispondere nella ricerca di follow-up:"Ora che sappiamo che possono formarsi inclusioni liquide, la domanda è, quanto sono efficienti come dissipatori per le impurità? Quanto sono stabili? Possono mantenere le impurità localizzate durante altre fasi del processo, ad esempio durante il processo di accensione finale di una cella solare?"
