Uno studio pubblicato su Nanoscale dimostra che Zn₃ di alta qualità P₂ cristalli, privi di difetti di interfaccia, possono essere fabbricati con un approccio su scala nanometrica. Consiste nell'usare l'epitassia ad area selettiva per far crescere nanofili di Zn₃ P₂ , un materiale di interesse per l'applicazione in celle solari e fotovoltaiche. Questo lavoro, coordinato dal leader del gruppo ICN2 ICREA Prof. Jordi Arbiol, impiega anche tecniche di microscopia all'avanguardia e simulazioni 3D per studiare a fondo la formazione di strutture diversamente orientate all'interno dei nanofili.

Fosfuro di zinco (Zn₃ P₂ ) è un semiconduttore le cui proprietà, inclusa l'abbondanza dei suoi componenti sulla Terra, un gap di banda diretto e un'elevata capacità di assorbire la luce nel campo del visibile, lo rendono un candidato interessante per l'uso nelle celle solari come assorbitore, ovvero lo strato che produce vettori di carica liberi come risultato dell'assorbimento della luce. Tuttavia, studi approfonditi su di esso sono limitati a causa delle difficoltà legate alla fabbricazione di materiale di alta qualità. In particolare cristalli di Zn₃ P₂ sono prodotti per accrescimento epitassiale su un substrato, ma le caratteristiche strutturali di questo materiale ne rendono difficile la crescita in grandi volumi senza incorrere in difetti che possono ostacolarne le prestazioni.

Lo studio utilizza una strategia di fabbricazione di nanostrutture per produrre nanofili di Zn₃ P₂ con deformazioni elastiche ridotte, che si traduce in difetti molto minori all'interfaccia con il substrato. Oltre a dimostrare che questo approccio è favorevole, il lavoro utilizza anche tecniche avanzate di microscopia, imaging e simulazione per analizzare il processo di crescita fino al livello atomico e per studiare le caratteristiche e l'influenza di altri tipi di irregolarità che appaiono nei nanofili cresciuti. Questa ricerca è stata coordinata dal Prof. Jordi Arbiol dell'ICREA, leader del gruppo di nanoscopia elettronica avanzata ICN2, e dalla Prof.ssa Anna Fontcuberta i Morral, dell'Ecole Polytechnique Fédérale di Losanna (EPFL, Svizzera); i primi autori dell'articolo sono la dott.ssa Maria Chiara Spadaro, ricercatrice post-dottorato nel gruppo del Prof. Arbiol, e il dott. Simon Escobar Steinvall, precedentemente all'EPFL e attualmente ricercatore post-dottorato presso l'Università di Lund (Svezia).

I ricercatori sono cresciuti Zn₃ P₂ nanofili su un substrato di fosfuro di indio (InP) mediante epitassia ad area selettiva (SAE), una tecnica in cui viene utilizzata una maschera per limitare la crescita ad aperture specificamente progettate e direzioni desiderate. La piccola superficie di contatto tra i due materiali e l'uso di una maschera hanno consentito la fabbricazione di nanofili senza dislocazioni disadattate all'interfaccia, o in altre parole, senza difetti relativi all'interfaccia. In particolare, sono stati scelti due orientamenti cristallini per far crescere i nanofili, a 45 gradi l'uno rispetto all'altro, ed entrambi hanno mostrato la stessa alta qualità.

Ci sono altri difetti, tuttavia, che possono manifestarsi durante il processo di fabbricazione, anche utilizzando questo approccio su scala nanometrica, e sono in realtà più difficili da monitorare e controllare. Infatti, gli autori di questo studio hanno osservato la formazione di domini ruotati nel materiale cresciuto, il che significa che ci sono parti all'interno dell'intera struttura che presentano un diverso orientamento cristallino rispetto al resto. Per analizzare in dettaglio questo fenomeno e come incide sulla qualità dello Zn₃ P₂ nanofili, gli autori di questo studio hanno utilizzato tecniche all'avanguardia (imaging di microscopia elettronica a trasmissione a scansione di campo oscuro ad alto angolo con correzione dell'aberrazione atomica o STEM AC-HAADF) per raccogliere informazioni strutturali sul materiale fino al livello atomico . Hanno anche utilizzato i dati raccolti per creare modelli atomici 3D affidabili che eseguono la simulazione dell'immagine HAADF-STEM, per ottenere una visione più approfondita del processo di crescita.

Hanno osservato domini ruotati di 120 gradi in entrambi i tipi di nanofili (di 0 gradi e 45 gradi di orientamento cristallino), le cui interfacce sono però molto nitide. Nessun legame penzolante o stato elettronico a metà distanza si è formato sull'interfaccia ruotata. Hanno spiegato questo fenomeno come risultato della crescita simultanea e indipendente di cristalli con orientamenti diversi in parti separate delle aperture della maschera. Man mano che la crescita continua, tutte le parti si fondono in una struttura unica e quella dominante integra completamente le altre. Sono state realizzate due animazioni per illustrare questo processo nei due tipi di nanofili; sono disponibili qui (orientamento 0 gradi) e qui (orientamento 45 gradi).

Questo studio dimostra che l'approccio su scala nanometrica basato sull'epitassia ad area selettiva garantisce la fabbricazione di Zn₃ di qualità superiore P₂ cristalli, cioè la sua crescita senza difetti all'interfaccia. Dimostra anche le capacità delle tecniche avanzate di microscopia e imaging (in particolare, il summenzionato AC HAADF-STEM) e della modellazione atomica 3D e delle simulazioni di immagini per comprendere appieno la formazione dei difetti e il loro impatto sui nuovi materiali. + Esplora ulteriormente

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