I ricercatori del gruppo 3-D-Photovoltaics di AMOLF hanno utilizzato un microscopio a forza atomica per stampare elettrochimicamente su scala nanometrica. Questa tecnica può stampare strutture per una nuova generazione di celle solari su chip. I ricercatori hanno pubblicato oggi i loro risultati sulla rivista online Nanoscala .

I grappoli di rame sulla superficie della lamina d'oro formano le lettere AMOLF (vedi immagine). Questi sono invisibili ad occhio nudo, perché le lettere sono grandi solo poche centinaia di nanometri. Però, l'immagine è chiaramente visibile attraverso il microscopio utilizzato per scrivere le lettere. Marco Aarts, dottorato di ricerca studente del gruppo 3-D-Fotovoltaico, ha usato questo microscopio a forza atomica (AFM) per manipolare gli ioni di rame disciolti per formare queste lettere.

Può usare la tecnica per disegnare qualsiasi forma desiderata su una superficie. La tecnica è adatta alla produzione di una nuova generazione di celle solari nano-architettoniche, che catturano la luce solare in nanostrutture verticali come fili, coni o forse anche elementi a forma di albero. La leader del gruppo Esther Alarcón afferma:"Nelle celle solari tradizionali, la luce cade sullo strato orizzontale più in alto; diventa più scuro man mano che aumenta la profondità del materiale. Nelle celle solari 3D, invece del solo strato superiore, l'intero volume del materiale è attivo." Una delle sfide è lo sviluppo di una nuova tecnica per produrre nanofili dal basso verso l'alto con l'aiuto di processi elettrochimici invece di tagliarli da un pezzo di materiale più grande. Questo è esattamente ciò che Aarts è lavorando su.

Disegnare con il rame

I bambini delle scuole possono eseguire una semplice reazione elettrochimica con una soluzione blu trasparente di solfato di rame in un bicchiere e due graffette come elettrodi. Quando viene applicata una tensione alle graffette, depositi di rame su uno di essi.

Lo stesso accade su scala nanometrica nell'AFM. Un minuscolo ago di platino, 50 nanometri di diametro, si muove su una superficie come la puntina di un giradischi che si muove su un disco. In questo esperimento, questo suggerimento funge da graffetta, e una piccola lamina d'oro (o il chip) su cui è disegnata la struttura funge da altra graffetta. L'intero impianto è sospeso in una soluzione di solfato di rame. Quando viene applicata una tensione ai capi degli elettrodi, depositi di rame esattamente dove si trova la punta sulla superficie dell'oro. Se la punta viene spostata, poi il rame si deposita leggermente più in alto. Con questo approccio, un modello può essere disegnato elettrochimicamente su un chip utilizzando un AFM.

Doppio strato

Divenne presto chiaro che il processo elettrochimico su scala nanometrica non procedeva allo stesso modo della scala del tavolo da cucina. Per esempio, alla sua sorpresa, Aarts vide che più rame si depositava sulla superficie a concentrazioni inferiori della soluzione di solfato di rame. Ad alte concentrazioni, era impossibile scrivere.

Però, picchiettare sulla superficie con la punta AFM ha funzionato bene. Era necessario perché senza questo tocco, non si è formato rame. Un processo fondamentale è alla base di questo, spiega Aarts. "Uno strato con la carica opposta si forma sempre attorno a un elettrodo carico. Questo 'doppio strato' si forma anche attorno alla nostra punta AFM e all'elettrodo d'oro, e ciò impedisce che avvenga la reazione del rame. Questo è sorprendente, perché alla bilancia da tavolo della cucina, il doppio strato è ciò che facilita la reazione. Toccando la punta sulla superficie, il doppio strato è rotto, che permette che la reazione avvenga localmente".

Aarts è soddisfatta della riuscita produzione di modelli 3D utilizzando un AFM e una reazione elettrochimica. L'effetto di concentrazione e la necessità di spillare non sono mai stati osservati in precedenza, dice il ricercatore. "Il doppio strato è uno dei fenomeni più importanti in elettrochimica, ma non lo comprendiamo ancora del tutto. Questa conoscenza potrebbe essere importante per lo sviluppo di batterie migliorate o per l'elettrocatalisi".

Le strutture che Aarts attualmente disegna sono di circa 50 nanometri, perché questa è la dimensione della punta AFM. Però, più piccolo sarebbe meglio. "Pensiamo che potremmo facilmente usare una punta più piccola per disegnare strutture ancora più piccole".

Il sogno dei ricercatori è produrre celle solari utilizzando questa tecnica. Ciò richiederà che le strutture siano più alte. "Aumentare l'altezza in modo controllato è ancora difficile, "dice Aarts, e i ricercatori ci stanno lavorando. In definitiva, la produzione di celle solari richiederà strutture costruite con diversi materiali, come gallio e arseniuro, che combinati formano le migliori celle solari. "Con l'elettrochimica, possiamo applicare facilmente i materiali simultaneamente o in sequenza. All'interno del gruppo stiamo anche studiando questi processi, e speriamo di combinare tutto in futuro".