• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Kisel kan fås att smälta omvänt

    Ett litet kiselchips - den glödande orange fyrkanten i mitten av denna speciella värmeanordning - värms upp till en temperatur långt under kiselns smältpunkt, och svalnade sedan mycket långsamt. Chipset inuti denna uppvärmningsanordning placerades i vägen för en synkrotronstråle för att undersöka dess förändringar på molekylär nivå när den gick igenom den retrograda smältprocessen. Foto:Patrick Gillooly

    Som en isbit en varm dag, de flesta material smälter -- det vill säga ändras från ett fast till ett flytande tillstånd - när de blir varmare. Men några udda material gör det omvända:de smälter när de blir svalare. Nu har ett team av forskare vid MIT funnit att kisel, det mest använda materialet för datachips och solceller, kan uppvisa denna märkliga egenskap av "retrograd smältning" när den innehåller höga koncentrationer av vissa metaller lösta i den.

    Materialet, en förening av kisel, koppar, nickel och järn, "smälter" (förvandlas faktiskt från en fast till en slaskliknande blandning av fast och flytande material) när det svalnar under 900 grader Celsius, medan kisel vanligtvis smälter vid 1414 grader C. De mycket lägre temperaturerna gör det möjligt att observera materialets beteende under smältning, baserad på specialiserad röntgenfluorescensmikrosondteknologi som använder en synkrotron - en typ av partikelaccelerator - som källa.

    Materialet och dess egenskaper beskrivs i en artikel som just publicerats online i tidskriften Avancerade material. Teamledare Tonio Buonassisi, SMA biträdande professor i maskinteknik och tillverkning, är senior författare, och huvudförfattarna är Steve Hudelson MS ’09, och postdoktor Bonna Newman PhD ’08.

    Resultaten kan vara användbara för att sänka kostnaderna för att tillverka vissa kiselbaserade enheter, speciellt de där små mängder föroreningar kan minska prestandan avsevärt. I materialet som Buonassisi och hans forskare studerade, föroreningar tenderar att migrera till den flytande delen, lämnar områden med renare kisel efter sig. Detta kan göra det möjligt att tillverka vissa kiselbaserade enheter, som solceller, använder en mindre ren, och därför billigare, kvalitet av kisel som skulle renas under tillverkningsprocessen.

    "Om du kan skapa små vätskedroppar inuti ett block av kisel, de tjänar som små dammsugare för att suga upp orenheter, säger Buonassisi. Denna forskning kan också leda till nya metoder för att göra uppsättningar av kisel nanotrådar - små rör som är mycket ledande för värme och elektricitet.

    Buonassisi förutspådde i en tidning från 2007 att det borde vara möjligt att inducera retrograd smältning i kisel, men de villkor som behövs för att skapa ett sådant tillstånd, och att studera det på mikroskopisk nivå, är mycket specialiserade och har först nyligen blivit tillgängliga. För att skapa rätt förutsättningar, Buonassisi och hans team var tvungna att anpassa ett mikroskop "hot-stage" -enhet som gjorde det möjligt för forskarna att exakt kontrollera hastigheten för uppvärmning och kylning. Och för att faktiskt observera vad som hände när materialet värmdes och kyldes, de utnyttjade synkrotronbaserade röntgenkällor med hög effekt vid Lawrence Berkeley National Laboratory i Kalifornien och vid Argonne National Laboratory i Illinois (forskare från båda nationella labb är medförfattare till tidningen).

    En oblat av kisel, som är det mest använda materialet för datachips och solceller. Foto:Patrick Gillooly

    Forskningen stöddes av det amerikanska energidepartementet, National Science Foundation, Clare Booth Luce Foundation, Doug Spreng och Chesonis Family Foundation, och viss utrustning tillhandahölls av McCrone Scientific.

    Materialet för testerna bestod av en sorts sandwich gjord av två tunna lager kisel, med en fyllning av koppar, nickel och järn mellan dem. Detta värmdes först tillräckligt för att få metallerna att lösas upp i kislet, men under kislets smältpunkt. Mängden metall var sådan att kislet blev övermättat - dvs. mer av metallen löstes i kislet än vad som normalt skulle vara möjligt under stabila förhållanden. Till exempel, när en vätska värms upp, det kan lösa upp mer av ett annat material, men sedan när den svalnat kan den bli övermättad, tills överskottsmaterialet faller ut.

    I detta fall, där metallerna löstes i det fasta kislet, "om du börjar kyla ner det, du når en punkt där du framkallar nederbörd, och det har inget annat val än att fällas ut i flytande fas, säger Buonassisi. Det är vid den punkten som materialet smälter.

    Matthias Heuer, en senior forskare vid Calisolar, ett startupföretag för solenergi, säger att detta arbete är "unikt och nytt för vårt område, " och det "ger en mycket bra inblick i hur övergångsmetaller och strukturella defekter interagerar." Men han tillägger att det fortfarande finns ett antal frågor att besvara i uppföljningsforskningen:"Nu när vi vet att flytande inneslutningar kan bildas, frågan är, hur effektiva som handfat för föroreningar är de? Hur stabila är de? Kan de hålla föroreningarna lokaliserade under andra processsteg - t.ex. under den sista avfyringsprocessen av en solcell?”


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com