I ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato un nuovo modello teorico che spiega un modo per produrre il silicio nero, un materiale importante utilizzato nelle celle solari, nei sensori di luce, nelle superfici antibatteriche e in molte altre applicazioni.
Il silicio nero viene prodotto quando la superficie del silicio normale viene incisa per produrre minuscoli pozzi su scala nanometrica sulla superficie. Questi pozzi cambiano il colore del silicio da grigio a nero e, cosa fondamentale, intrappolano più luce, una caratteristica essenziale delle celle solari efficienti.
Sebbene esistano molti modi per produrre il silicio nero, compresi alcuni che utilizzano il quarto stato carico della materia noto come plasma, il nuovo modello si concentra su un processo che utilizza solo gas fluoro. Yuri Barsukov, ricercatore post-dottorato del PPPL, ha affermato che la scelta di concentrarsi sul fluoro è stata intenzionale:il team del PPPL voleva colmare una lacuna nella ricerca disponibile al pubblico. Mentre sono stati pubblicati alcuni articoli sul ruolo delle particelle cariche chiamate ioni nella produzione di silicio nero, non è stato pubblicato molto sul ruolo delle sostanze neutre, come il gas fluoro.
"Ora conosciamo, con grande specificità, i meccanismi che causano la formazione di questi buchi quando viene utilizzato il gas fluoro", ha affermato Barsukov, uno degli autori di un nuovo articolo sul lavoro, apparso sul Journal of Vacuum Science &Tecnologia A .
"Questo tipo di informazioni, pubblicate pubblicamente e liberamente disponibili, avvantaggiano tutti noi, sia che perseguiamo ulteriori conoscenze nelle conoscenze di base che sono alla base di tali processi sia che cerchiamo di migliorare i processi di produzione", ha aggiunto Barsukov.
Il nuovo modello di incisione spiega con precisione come il gas fluoro rompe alcuni legami nel silicio più spesso di altri, a seconda dell'orientamento del legame sulla superficie. Poiché il silicio è un materiale cristallino, gli atomi si legano secondo uno schema rigido. Questi legami possono essere caratterizzati in base al modo in cui sono orientati nel modello, con ciascun tipo di orientamento, o piano, identificato da un numero tra parentesi, come [100], [110] o [111].
"Se si incide il silicio utilizzando fluoro gassoso, l'incisione procede lungo i piani cristallini [100] e [110] ma non incide [111], risultando in una superficie ruvida dopo l'incisione", ha spiegato Barsukov. Quando il gas attacca il silicio in modo non uniforme, si creano delle fosse sulla superficie del silicio. Più ruvida è la superficie, maggiore è la luce che può assorbire, rendendo il silicio nero ruvido ideale per le celle solari. Il silicio liscio, al contrario, è una superficie ideale per creare i modelli su scala atomica necessari per i chip dei computer.
"Se vuoi incidere il silicio lasciando una superficie liscia, dovresti usare un reagente diverso dal fluoro. Dovrebbe essere un reagente che incide uniformemente tutti i piani cristallini", ha detto Barsukov.
La ricerca è degna di nota anche perché rappresenta uno dei primi successi in una delle aree di ricerca più recenti del PPPL.
"Il laboratorio si sta diversificando", ha affermato Igor Kaganovich, principale fisico ricercatore e coautore dell'articolo. "Questa è la prima volta per PPPL a svolgere questo tipo di lavoro sulla chimica quantistica."
La chimica quantistica è una branca della scienza che studia la struttura e la reattività delle molecole utilizzando la meccanica quantistica, le leggi della fisica che governano oggetti molto piccoli e molto leggeri, come elettroni e nuclei.
Altri ricercatori che hanno contribuito all'articolo includono Joseph Vella, fisico ricercatore associato; Sierra Jubin, una studentessa laureata all'Università di Princeton; ed ex assistente di ricerca presso PPPL Omesh Dhar Dwivedi.
Ulteriori informazioni: Omesh Dhar Dwivedi et al, Incisione del silicio dipendente dall'orientamento mediante molecole di fluoro:uno studio computazionale di chimica quantistica, Journal of Vacuum Science &Technology A (2023). DOI:10.1116/6.0002841
Fornito dal Princeton Plasma Physics Laboratory
