Piccoli fili potrebbero aiutare gli ingegneri a realizzare celle solari ad alte prestazioni e altri dispositivi elettronici, secondo i ricercatori dell'Università dell'Illinois.

Il gruppo di ricerca, guidato dal professore di ingegneria elettrica e informatica Xiuling Li, sviluppato una tecnica per integrare nanofili semiconduttori composti su wafer di silicio, superare le sfide chiave nella produzione di dispositivi. Il team ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Nano lettere .

I semiconduttori del gruppo III-V (pronunciato tre-cinque) sono promettenti per i dispositivi che trasformano la luce in elettricità e viceversa, come celle solari o laser di fascia alta. Però, non si integrano perfettamente con il silicio, il che è un problema poiché il silicio è la piattaforma di dispositivi più onnipresente. Ogni materiale ha una distanza specifica tra gli atomi nel cristallo, nota come costante reticolare.

"La sfida più grande è stata che i semiconduttori III-V e il silicio non hanno le stesse costanti reticolari, Li ha detto. "Non possono essere impilati uno sopra l'altro in modo semplice senza generare dislocazioni, che possono essere pensati come crepe su scala atomica."

Quando i reticoli cristallini non si allineano, c'è una discrepanza tra i materiali. I ricercatori di solito depositano materiali III-V sopra wafer di silicio in un film sottile che copre il wafer, ma il disadattamento provoca tensione e introduce difetti, degradare le prestazioni del dispositivo.

Invece di un film sottile, il team dell'Illinois ha sviluppato una serie densa di nanofili, minuscoli filamenti di semiconduttore III-V che crescono verticalmente dal wafer di silicio.

"La geometria del nanofilo offre molta più libertà dalle restrizioni di adattamento del reticolo dissipando l'energia di deformazione del disadattamento lateralmente attraverso le pareti laterali, " disse Li.

I ricercatori hanno trovato le condizioni per la crescita di nanofili di varie composizioni dell'arseniuro di indio e gallio semiconduttore III-V. La loro metodologia ha i vantaggi di utilizzare una tecnica di crescita comune senza la necessità di trattamenti speciali o modelli sul wafer di silicio o sui catalizzatori metallici che sono spesso necessari per tali reazioni.

La geometria del nanofilo offre l'ulteriore vantaggio di migliorare le prestazioni delle celle solari attraverso un maggiore assorbimento della luce e un'efficienza di raccolta del vettore. L'approccio dei nanofili utilizza anche meno materiale rispetto ai film sottili, riducendo il costo.

"Questo lavoro rappresenta il primo rapporto sugli array di nanofili di semiconduttori ternari cresciuti su substrati di silicio, che sono veramente epitassiali, controllabile in dimensioni e doping, alto rapporto d'aspetto, non affusolato, e ampiamente sintonizzabile in energia per l'integrazione pratica del dispositivo, " disse Li, che è affiliato al Laboratorio di Micro e Nanotecnologie, il Frederick Seitz Materials Research Laboratory e il Beckman Institute for Advanced Science and Technology presso l'U. of I.

Li ritiene che l'approccio dei nanofili potrebbe essere ampiamente applicato ad altri semiconduttori, abilitare altre applicazioni che sono state scoraggiate da problemi di mancata corrispondenza. Prossimo, Li e il suo gruppo sperano presto di dimostrare celle solari tandem multigiunzione basate su nanofili con alta qualità ed efficienza.