En studie publicerad i Nanoscale visar att Zn₃ av hög kvalitet P₂ kristaller, fria från gränssnittsdefekter, kan tillverkas i nanoskala. Den består i att använda selektiv areapitaxi för att odla nanotrådar av Zn₃ P₂ , ett material av intresse för användning i solceller och solceller. Detta arbete, koordinerat av ICN2-gruppledaren ICREA-professor Jordi Arbiol, använder också toppmoderna mikroskopitekniker och 3D-simuleringar för att grundligt undersöka bildandet av olika orienterade strukturer inom nanotrådarna.

Zinkfosfid (Zn₃ P₂ ) är en halvledare vars egenskaper, inklusive mängden av dess komponenter på jorden, ett direkt bandgap och en hög förmåga att absorbera ljus i det synliga området, gör den till en attraktiv kandidat för användning i solceller som absorbator, dvs. producerar gratis laddningsbärare som ett resultat av ljusabsorption. Fördjupade studier av det är dock begränsade på grund av svårigheterna med att tillverka material av hög kvalitet. I synnerhet kristaller av Zn₃ P₂ produceras genom epitaxiell tillväxt på ett substrat, men de strukturella egenskaperna hos detta material gör det svårt att odla långa delar av det utan att det uppstår defekter, vilket kan försämra dess prestanda.

Studien använder en nanostrukturtillverkningsstrategi för att producera nanotrådar av Zn₃ P₂ med reducerade elastiska töjningar, vilket resulterar i mycket färre defekter vid gränsytan mot substratet. Förutom att bevisa att detta tillvägagångssätt är gynnsamt, använder arbetet även avancerad mikroskopi, avbildning och simuleringstekniker för att analysera tillväxtprocessen ner till atomär nivå och för att undersöka egenskaperna och påverkan av andra typer av oregelbundenheter som uppstår i de odlade nanotrådarna. Denna forskning koordinerades av ICREA Prof. Jordi Arbiol, ledare för ICN2 Advanced Electron Nanoscopy Group, och Prof. Anna Fontcuberta i Morral, från Ecole Polytechnique Fédérale i Lausanne (EPFL, Schweiz); första författare till uppsatsen är Dr Maria Chiara Spadaro, postdoktor i Prof. Arbiols grupp, och Dr Simon Escobar Steinvall, tidigare vid EPFL och för närvarande postdoktor vid Lunds universitet (Sverige).

Forskarna odlade Zn₃ P₂ nanotrådar på ett substrat av indiumfosfid (InP) med hjälp av selektiv area epitaxi (SAE), en teknik där en mask används för att begränsa tillväxten till specifikt utformade öppningar och önskade riktningar. Den lilla kontaktytan mellan de två materialen och användningen av en mask möjliggjorde tillverkning av nanotrådar utan misspassade dislokationer vid gränssnittet, eller med andra ord, inga gränssnittsrelaterade defekter. I synnerhet valdes två kristallina orienteringar för att odla nanotrådarna, vid 45 grader i förhållande till varandra, och båda uppvisade samma höga kvalitet.

Det finns dock andra defekter som kan dyka upp under tillverkningsprocessen – även med detta tillvägagångssätt i nanoskala – och som faktiskt är svårare att övervaka och kontrollera. Faktum är att författarna till denna studie observerade bildandet av roterade domäner i det odlade materialet, vilket innebär att det finns delar inom hela strukturen som uppvisar en annan kristallorientering med avseende på resten. För att i detalj analysera detta fenomen och hur det påverkar kvaliteten på Zn₃ P₂ nanotrådar, använde författarna till denna studie toppmoderna tekniker (avvikelse i atomupplösningskorrigering med hög vinkel ringformig mörkfältsskanning transmissionselektronmikroskopi, eller AC-HAADF STEM) för att samla in strukturell information om materialet ner till atomnivå . De använde också insamlade data för att skapa pålitliga 3D-atommodeller som utför HAADF-STEM-bildsimulering, för att få djupare insikt i tillväxtprocessen.

De observerade domäner roterade 120 grader i båda typerna av nanotrådar (med 0 grader och 45 grader kristallin orientering), vars gränssnitt dock är mycket skarpa. Inga hängande bindningar eller elektroniska tillstånd mellan mellanrum bildas vid det roterade gränssnittet. De förklarade detta fenomen som ett resultat av den samtidiga och oberoende tillväxten av kristaller med olika orienteringar i åtskilda delar av masköppningarna. Allt eftersom tillväxten fortsätter smälter alla delar samman i en unik struktur och den dominerande integrerar de andra fullständigt. Två animationer gjordes för att illustrera denna process i de två typerna av nanotrådar; de är tillgängliga här (0 graders orientering) och här (45 graders orientering).

Denna studie visar att tillvägagångssättet i nanoskala baserad på selektiv areapitaxi garanterar tillverkning av Zn₃ av högre kvalitet P₂ kristaller, dvs dess tillväxt utan defekter vid gränssnittet. Det bevisar också förmågan hos avancerad mikroskopi och avbildningsteknik (specifikt ovan nämnda AC HAADF-STEM) och 3D-atommodellering och bildsimuleringar för att till fullo förstå defektbildningen och deras inverkan på nya material. + Utforska vidare

En ny metod som använder nanotrådar kan göra solpaneler mycket effektivare och mycket billigare