Riempito con polimeri organici adatti, il nanofilm di germanio altamente poroso diventa una cella solare ibrida. Poiché la nanostruttura di germanio forma una struttura opale inversa, il materiale luccica come l'opale. Credito:Andreas Battenberg / TUM
Utilizzando una nuova procedura, i ricercatori dell'Università tecnica di Monaco (TUM) e dell'Università Ludwig Maximillians di Monaco (LMU) possono ora produrre oggetti estremamente sottili e robusti, ancora strati semiconduttori altamente porosi. Un materiale molto promettente - per piccoli, leggero, celle solari flessibili, Per esempio, o elettrodi che migliorano le prestazioni delle batterie ricaricabili.
Il rivestimento sul wafer che il professor Thomas Fässler, cattedra di Chimica Inorganica con focus sui nuovi materiali alla TU Munich, tiene tra le mani luccica come un opale. E ha proprietà sorprendenti:è duro come un cristallo, eccezionalmente sottile e - essendo molto poroso - leggero come una piuma.
Integrando opportuni polimeri organici nei pori del materiale, gli scienziati possono personalizzare le proprietà elettriche del materiale ibrido risultante. Il design non solo consente di risparmiare spazio, crea inoltre ampie superfici di interfaccia che migliorano l'efficacia complessiva.
"Puoi immaginare la nostra materia prima come un'impalcatura porosa con una struttura simile a un nido d'ape. Le pareti comprendono elementi inorganici, germanio semiconduttore, che può produrre e immagazzinare cariche elettriche. Poiché le pareti a nido d'ape sono estremamente sottili, le cariche possono fluire lungo percorsi brevi, " spiega Fassler.
Il nuovo design:dal basso verso l'alto anziché dall'alto verso il basso
Ma, per trasformare fragile, germanio duro in uno strato flessibile e poroso, i ricercatori hanno dovuto applicare alcuni trucchi. Tradizionalmente, processi di attacco sono utilizzati per strutturare la superficie del germanio. Però, questo approccio top-down è difficile da controllare a livello atomico. La nuova procedura risolve questo problema.
Insieme alla sua squadra, Fässler ha stabilito una metodologia di sintesi per fabbricare le strutture desiderate in modo molto preciso e riproducibile. La materia prima è il germanio con atomi disposti in gruppi di nove. Poiché questi cluster sono caricati elettricamente, si respingono finché si dissolvono. Il reticolato avviene solo quando il solvente è evaporato.
Un'immagine al microscopio elettronico della struttura del germanio dopo la rimozione dei modelli polimerici. Il materiale forma una struttura opale inversa, che può essere riempito con polimeri idonei per creare celle solari ibride. Credito:Katia Rodewald / TUM
Ciò può essere facilmente ottenuto applicando un calore di 500 °C o può essere indotto chimicamente, aggiungendo cloruro di germanio, Per esempio. Utilizzando altri cloruri come il cloruro di fosforo, le strutture del germanio possono essere facilmente drogate. Ciò consente ai ricercatori di regolare direttamente le proprietà dei nanomateriali risultanti in modo molto mirato.
Piccole perline sintetiche come nanomodelli
Per dare ai cluster di germanio la struttura porosa desiderata, la ricercatrice LMU, la dott.ssa Dina Fattakhova-Rohlfing, ha sviluppato una metodologia per consentire la nanostrutturazione:minuscole perline polimeriche formano modelli tridimensionali in una fase iniziale.
Nel passaggio successivo, la soluzione a grappolo di germanio riempie gli spazi tra le perline. Non appena si sono formate reti stabili di germanio sulla superficie delle minuscole perline, le sagome vengono rimosse applicando calore. Ciò che rimane è il nanofilm altamente poroso.
Le perle polimeriche dispiegate hanno un diametro da 50 a 200 nanometri e formano una struttura opale. L'impalcatura di germanio che emerge sulla superficie funge da stampo negativo:si forma una struttura opale inversa. Così, i nanostrati brillano come un opale.
"Il germanio poroso da solo ha proprietà ottiche ed elettriche uniche di cui possono trarre vantaggio molte applicazioni energetiche, " afferma la ricercatrice della LMU, la dott.ssa Dina Fattakhova-Rohlfing, chi, in collaborazione con Fässler, sviluppato il materiale. "Oltre a questo, possiamo riempire i pori con un'ampia varietà di materiali funzionali, creando così un'ampia gamma di nuovi materiali ibridi".
I nanostrati aprono la strada alle soluzioni fotovoltaiche portatili
"Quando combinato con polimeri, strutture porose in germanio sono adatte per lo sviluppo di una nuova generazione di stabili, celle solari estremamente leggere e flessibili in grado di caricare telefoni cellulari, fotocamere e laptop mentre sei in viaggio, " spiega il fisico Peter Müller-Buschbaum, professore di materiali funzionali alla TU Munich.
I produttori di tutto il mondo sono alla ricerca di materiali leggeri e robusti da utilizzare nelle celle solari portatili. Finora hanno utilizzato principalmente composti organici, che sono sensibili e hanno una vita relativamente breve. Il calore e la luce decompongono i polimeri e ne riducono le prestazioni. Qui, gli strati ibridi di germanio sottili ma robusti forniscono una vera alternativa.
Nanostrati per nuovi sistemi di batterie
Prossimo, i ricercatori vogliono utilizzare la nuova tecnologia per produrre strati di silicio altamente porosi. Gli strati sono attualmente in fase di test come anodi per batterie ricaricabili. Potrebbero plausibilmente sostituire gli strati di grafite attualmente utilizzati nelle batterie per migliorarne la capacità.
