(PhysOrg.com) -- I ricercatori della Cornell hanno sviluppato un nuovo metodo per creare un film sottile a cristallo singolo modellato di materiale semiconduttore che potrebbe portare a celle e batterie fotovoltaiche più efficienti.

Il "Santo Graal" per tali applicazioni è stato quello di creare su una base di silicio, o substrato, un film con una struttura 3-D su scala nanometrica, con il reticolo cristallino del film allineato nella stessa direzione (epitassialmente) del substrato. Questo è il culmine di anni di ricerca di Uli Wiesner, professore di scienze e ingegneria dei materiali, nell'uso della chimica dei polimeri per creare strutture autoassemblanti su nanoscala.

Lui ei suoi colleghi riportano la svolta nel numero dell'8 ottobre della rivista Science. Hanno usato il nuovo metodo per creare un film con una trama in rilievo, costituito da minuscoli pilastri di pochi nanometri di diametro. "Solo la capacità di creare una nanostruttura a cristallo singolo ha molte promesse, "Ha detto Wiesner. "Combiniamo questo con la capacità dei materiali polimerici organici di autoassemblarsi su scala nanometrica in varie strutture che possono essere modellate nel materiale cristallino".

Il gruppo di ricerca di Wiesner ha precedentemente utilizzato tecniche di autoassemblaggio per creare celle solari Gräetzel, che utilizzano un colorante organico inserito tra due conduttori. La disposizione dei conduttori in un complesso schema 3D crea più superficie per raccogliere la luce e consente un trasporto di carica più efficiente, ha detto Wiesner.

Le prestazioni migliorano maggiormente quando i materiali conduttori sono monocristalli, ha detto Wiesner. La maggior parte delle tecniche per la creazione di tali film produce materiale policristallino - una raccolta di "grani" o piccoli cristalli raggruppati in modo casuale - e i bordi dei grani ritardano il movimento delle cariche elettriche, Lui ha spiegato.

Il metodo di Wiesner utilizza copolimeri a blocchi per creare modelli porosi in cui un nuovo materiale può fluire e cristallizzare. Un polimero è costituito da molecole organiche che si uniscono in lunghe catene per formare un solido. Un copolimero a blocchi viene realizzato unendo due diverse molecole alle loro estremità. Quando si concatenano e si mescolano con ossidi metallici, si forma un modello su scala nanometrica di forme geometriche ripetute, mentre l'altro riempie lo spazio in mezzo. La combustione del polimero lascia una nanostruttura di ossido di metallo poroso che può fungere da modello.

Il team di Wiesner ha creato un modello con pori esagonali su un substrato di silicio monocristallino e ha depositato su di esso film di silicio amorfo o siliciuro di nichel. In collaborazione con Mike Thompson, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali, hanno quindi riscaldato la superficie del silicio con impulsi laser molto brevi (nanosecondi). Questo fonde lo strato appena depositato e i pochi micron superiori (milionesimi di metro) del substrato di silicio. Dopo solo poche decine di nanosecondi il silicio fuso si ricristallizza con il substrato di silicio monocristallino che funge da cristallo seme per innescare la cristallizzazione nel materiale depositato sopra di esso, facendo in modo che quel cristallo si allinei epitassialmente con il seme.

Il modello è dissolto, lasciando una schiera di pilastri esagonali di circa 30 nm di diametro. Il team ha realizzato film nanostrutturati porosi fino a 100 nm di spessore con altre forme complesse. In lavori precedenti Wiesner ha creato reticoli di cilindri, aerei, sfere e "giroidi" complessi variando la composizione dei copolimeri.

Altri materiali potrebbero essere depositati, hanno detto i ricercatori. L'obiettivo qui, loro hanno detto, era dimostrare la formazione di film con lo stesso materiale del substrato (ufficialmente noto come omoepitassia) e con un materiale diverso (eteroepitassia).

In un ulteriore esperimento di proof-of-concept, i ricercatori hanno dimostrato che il film sottile strutturato potrebbe essere disposto in modelli su scala micron, come potrebbe essere necessario nella progettazione di un circuito elettronico, stendendo una maschera sulla superficie prima di applicare il riscaldamento laser.

"Siamo essenzialmente arrivati ​​al Santo Graal, " ha detto Wiesner. "Non è solo un cristallo singolo nanostrutturato, ma ha una relazione epitassiale con il substrato. Non c'è controllo migliore".