(PhysOrg.com) -- I nanofili semiconduttori sono materiali essenziali per lo sviluppo di celle solari più economiche ed efficienti, così come le batterie con una maggiore capacità di stoccaggio. Inoltre, sono elementi costitutivi importanti nella nanoelettronica. Però, la produzione di nanofili semiconduttori su scala industriale è molto costosa. La ragione principale di ciò sono le alte temperature alle quali vengono prodotti (600-900 C), così come l'uso di catalizzatori costosi, come l'oro. Scienziati del Max Planck Institute for Intelligent Systems di Stoccarda, ex Istituto Max Planck per la ricerca sui metalli, ora sono stati in grado di produrre nanofili semiconduttori cristallini a una temperatura molto più bassa (150 C) utilizzando catalizzatori economici, come l'alluminio. In questo modo, i semiconduttori nanostrutturati possono anche essere depositati direttamente su substrati di plastica sensibili al calore.

I nanofili fatti di semiconduttori come silicio (Si) o germanio (Ge) saranno indispensabili per molte applicazioni tecniche in futuro. Fino ad ora, sono stati prodotti utilizzando un processo descritto per la prima volta nel 1964. Il cosiddetto meccanismo vapore-liquido-solido (VLS) utilizza minuscole particelle di catalizzatori metallici come semi per la crescita dei nanofili. I semi metallici si depositano su un substrato solido, fuso ed esposto a un'atmosfera di gas contenente silicio o germanio. Le goccioline di metallo assorbiranno quindi atomi di semiconduttore dal gas fino a quando non saranno sovrasaturati, e il materiale semiconduttore in eccesso precipita al confine con il substrato:cresce un nanofilo. Nella maggior parte dei casi, l'oro è usato come catalizzatore, poiché può dissolvere molto silicio o germanio una volta fuso. L'uso di questo costoso catalizzatore e l'elevata temperatura di lavorazione del piombo da 600 a 900 ºCelsius, però, ad alti costi di produzione.

Gli scienziati dei materiali del dipartimento di Eric Mittemeijer presso il Max Planck Institute for Intelligent Systems hanno ora scoperto un metodo per produrre nanofili semiconduttori a una temperatura sorprendentemente più bassa di soli 150 C, utilizzando catalizzatori economici come l'alluminio. Insieme ai colleghi del Centro di microscopia elettronica di Stoccarda, una struttura di ricerca presso lo stesso Istituto, gli scienziati sono riusciti a osservare la crescita dei nanofili su scala atomica in tempo reale.

A tal fine, gli scienziati hanno preparato un doppio strato di alluminio cristallino e silicio amorfo. Lo strato è stato prodotto sotto vuoto ea temperatura ambiente mediante evaporazione termica. Considerando che gli atomi sono disordinati nella fase di silicio amorfo, sono disposti in un reticolo cristallino ordinato nello strato di alluminio. Infatti, lo strato di Al è costituito da miliardi di minuscoli cristalli di alluminio, ciascuno di essi di dimensioni pari a circa 50 nanometri. I grani di cristallo sono in stretto contatto tra loro. I loro confini formano quindi una rete di confine di grano bidimensionale all'interno dello strato di alluminio.

Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione analitica, gli scienziati sono stati in grado di osservare direttamente che gli atomi di silicio iniziano a fluire dallo strato di silicio nel catalizzatore di alluminio a una temperatura di appena 120 °Celsius. A temperature così basse, il catalizzatore di alluminio è solido e non può dissolvere alcun atomo di silicio. Indagini microscopiche rivelano che gli atomi di silicio sono invece alloggiati ai confini tra i cristalli di alluminio. Man mano che sempre più atomi di silicio si raccolgono ai bordi dei grani di alluminio, sono ristrutturati in minuscoli nanofili cristallini, poiché ciò riduce l'energia totale del sistema. Questo produce una rete di nanofili cristallini, il cui modello è precisamente determinato dalla rete di confine dei grani di alluminio. Si possono così produrre fili sottili fino a 15 nanometri.

Chiaramente il meccanismo di crescita dei nanofili scoperto dagli scienziati dei materiali a Stoccarda è fondamentalmente diverso dal meccanismo di crescita VLS convenzionale. Più sorprendentemente, il nuovo metodo di crescita non richiede la solubilità dei semiconduttori nel catalizzatore metallico e può quindi essere realizzato a basse temperature (150 °Celsius), utilizzando catalizzatori economici come l'alluminio.

I principali vantaggi del nuovo metodo sono quindi che non richiede elevate temperature del substrato o catalizzatori costosi. Inoltre, gli scienziati dei materiali possono adattare le dimensioni dei grani di alluminio e quindi la forma della rete di confine dei grani di alluminio, per produrre il modello desiderato di nanofili di silicio. Il catalizzatore Al può essere facilmente rimosso mediante attacco selettivo. Poiché i film di alluminio sono stati utilizzati per decenni nella microelettronica, la loro produzione e lavorazione sono ampiamente consolidate. Altri catalizzatori possono anche essere adatti per il metodo. Un altro vantaggio è che i dispositivi in ​​silicio nanostrutturato possono essere coltivati ​​direttamente sulla maggior parte dei substrati plastici, anche se sono sensibili al calore.