Как кремний приобретает темный и шероховатый оттенок

Новости сегодня - Как кремний приобретает темный и шероховатый оттенок

Как черный кремний, ценный материал, используемый в солнечных элементах, приобретает темный и шероховатый оттенок.

Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США разработали новую теоретическую модель, объясняющую один из способов производства черного кремния, важного материала, используемого в солнечных элементах, датчиках света, антибактериальных поверхностях и многих других приложениях.

Черный кремний получается, когда поверхность обычного кремния подвергается травлению с образованием крошечных наноразмерных ямок на поверхности. Эти ямки меняют цвет кремния с серого на черный и, что особенно важно, улавливают больше света, что является важной особенностью эффективных солнечных элементов.

Хотя существует множество способов получения черного кремния, в том числе те, которые используют заряженное четвертое состояние вещества, известное как плазма, новая модель фокусируется на процессе, в котором используется только газообразный фтор. Постдокторант PPPL Юрий Барсуков сказал, что решение сосредоточиться на фторе было намеренным: команда PPPL хотела заполнить пробел в общедоступных исследованиях. Хотя было опубликовано несколько статей о роли заряженных частиц, называемых ионами, в производстве черного кремния, о роли нейтральных веществ, таких как газообразный фтор, опубликовано немного.

«Теперь мы знаем – с большой точностью – механизмы, которые вызывают образование этих ямок при использовании газообразного фтора», — сказал Барсуков, один из авторов новой статьи об этой работе, опубликованной в Journal of Vacuum Science & Technology A.

«Подобная информация, публикуемая публично и в открытом доступе, приносит пользу всем нам, независимо от того, стремимся ли мы к дальнейшему познанию базовых знаний , лежащих в основе таких процессов, или стремимся улучшить производственные процессы», — добавил Барсуков.

Модель показывает разрыв связей в зависимости от ориентации атомов на поверхности

Новая модель травления точно объясняет, почему газообразный фтор разрывает одни связи в кремнии чаще, чем другие, в зависимости от ориентации связи на поверхности. Поскольку кремний является кристаллическим материалом, атомы связаны жесткой структурой. Эти связи можно охарактеризовать по тому, как они ориентированы в узоре, при этом каждый тип ориентации или плоскости обозначается номером в квадратных скобках, например [100], [110] или [111].

«Если вы травите кремний газообразным фтором, травление происходит вдоль плоскостей кристалла [100] и [110], но не травит [111], что приводит к шероховатой поверхности после травления», — пояснил Барсуков. Поскольку газ вытравливает кремний неравномерно, на поверхности кремния образуются ямки. Чем шероховатее поверхность, тем больше света она может поглотить, что делает шероховатый черный кремний идеальным для солнечных батарей. Гладкий кремний, напротив, является идеальной поверхностью для создания узоров атомного масштаба, необходимых для компьютерных чипов.

«Если вы хотите травить кремний , оставляя гладкую поверхность, вам следует использовать другой реагент, а не фтор. Это должен быть реагент, который травит равномерно все кристаллические плоскости», — сказал Барсуков.

PPPL расширяет свой опыт в области квантовой химии

Исследование также примечательно тем, что оно представляет собой ранний успех в одной из новейших областей исследований PPPL.

«Лаборатория диверсифицируется», — сказал Игорь Каганович, главный физик-исследователь и соавтор статьи. «Это первый случай, когда PPPL выполняет такую ​​работу в области квантовой химии».

Квантовая химия — это раздел науки, исследующий структуру и реакционную способность молекул с использованием квантовой механики, законов физики, управляющих очень маленькими и очень легкими объектами, такими как электроны и ядра.

Новости партнеров: