(PhysOrg.com) -- Cornell-forskare har utvecklat en ny metod för att skapa en mönstrad enkristall tunn film av halvledarmaterial som kan leda till effektivare solceller och batterier.

Den "heliga gralen" för sådana applikationer har varit att skapa på en silikonbas, eller substrat, en film med en 3D-struktur i nanoskala, med filmens kristallgitter inriktat i samma riktning (epitaxiellt) som i substratet. Att göra det är kulmen på år av forskning av Uli Wiesner, professor i materialvetenskap och teknik, att använda polymerkemi för att skapa självmonterande strukturer i nanoskala.

Han och hans kollegor rapporterar genombrottet i 8 oktober -numret av tidskriften Science. De använde den nya metoden för att skapa en film med en upphöjd textur, består av små pelare bara några nanometer tvärs över. "Bara förmågan att göra en enkristall nanostruktur har mycket lovande, "Sade Wiesner. "Vi kombinerar det med förmågan hos organiska polymermaterial att självmontera i nanoskala till olika strukturer som kan föras in i det kristallina materialet."

Wiesners forskargrupp använde tidigare självmonteringstekniker för att skapa Gräetzel-solceller, som använder ett organiskt färgämne mellan två ledare. Att placera ledarna i ett komplext 3D-mönster skapar mer yta för att samla in ljus och möjliggör effektivare laddningstransport, sa Wiesner.

Prestanda förbättras mest när de ledande materialen är enkristaller, sa Wiesner. De flesta tekniker för att skapa sådana filmer producerar polykristallint material - en samling av "korn" eller små kristaller som buntas ihop slumpmässigt - och korngränser fördröjer rörelsen av elektriska laddningar, han förklarade.

Wiesners metod använder blocksampolymerer för att skapa porösa mallar i vilka ett nytt material kan flyta och kristallisera. En polymer består av organiska molekyler som länkas till långa kedjor för att bilda ett fast ämne. En blocksampolymer tillverkas genom att sammanfoga två olika molekyler vid deras ändar. När de kedjar ihop och blandas med metalloxider, en bildar ett nanoskala mönster av upprepande geometriska former, medan den andra fyller utrymmet däremellan. Att bränna bort polymeren lämnar en porös metalloxidnanostruktur som kan fungera som en mall.

Wiesners team skapade en mall med hexagonala porer på ett enkristallsubstrat av kisel och deponerade filmer av amorft kisel eller nickelsilicid över det. I samarbete med Mike Thompson, docent i materialvetenskap och teknik, de värmde sedan upp kiselytan med mycket korta (nanosekund) laserpulser. Detta smälter det nyavlagrade skiktet och de övre få mikronerna (miljondelar av en meter) av kiselsubstratet. Efter bara några tiotals nanosekunder omkristalliseras det smälta kislet med enkristallsilikonsubstratet som fungerar som en groddkristall för att utlösa kristallisation i det avsatta materialet ovanför det, vilket gör att kristallen hamnar i linje epitaxiellt med fröet.

Mallen löses bort, lämnar en uppsättning hexagonala pelare omkring 30 nm tvärs över. Teamet har gjort porösa nanostrukturerade filmer upp till 100 nm tjocka med andra komplexa former. I tidigare arbete skapade Wiesner galler av cylindrar, flygplan, sfärer och komplexa "gyroider" genom att variera sammansättningen av sampolymerer.

Andra material kan deponeras, sa forskarna. Målet här, de sa, skulle demonstrera filmbildning med samma material som substratet (officiellt känt som homoepitaxy) och med ett annat material (heteroepitaxy).

I ett ytterligare proof-of-concept-experiment, forskarna visade att den strukturerade tunna filmen kunde arrangeras i mönster i mikronskala, som kan vara nödvändigt för att utforma en elektronisk krets, genom att lägga en mask över ytan innan du applicerar laseruppvärmning.

"Vi har i huvudsak kommit till den heliga gralen, ", sa Wiesner. "Det är inte bara en nanostrukturerad enkristall, men det har en epitaxial relation till substratet. Det finns ingen bättre kontroll."