Forskare vid det amerikanska energidepartementets Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har utvecklat en ny teoretisk modell som förklarar ett sätt att tillverka svart kisel, ett viktigt material som används i solceller, ljussensorer, antibakteriella ytor och många andra applikationer.
Svart kisel tillverkas när ytan av vanligt kisel etsas för att producera små nanoskaliga gropar på ytan. Dessa gropar ändrar färgen på kislet från grått till svart och, kritiskt, fångar de mer ljus, en väsentlig egenskap hos effektiva solceller.
Även om det finns många sätt att tillverka svart kisel, inklusive några som använder det laddade, fjärde tillståndet av materia som kallas plasma, fokuserar den nya modellen på en process som endast använder fluorgas. PPPL Postdoktoral Research Associate Yuri Barsukov sa att valet att fokusera på fluor var avsiktligt:Teamet vid PPPL ville fylla ett tomrum i offentligt tillgänglig forskning. Även om vissa artiklar har publicerats om vilken roll laddade partiklar kallade joner spelar i produktionen av svart kisel, har inte mycket publicerats om rollen av neutrala ämnen, såsom fluorgas.
"Vi känner nu - med stor specificitet - de mekanismer som gör att dessa gropar bildas när fluorgas används", säger Barsukov, en av författarna till en ny artikel om arbetet, som visas i Journal of Vacuum Science &Teknik A .
"Den här typen av information, publicerad offentligt och öppet tillgänglig, gynnar oss alla, oavsett om vi söker ytterligare kunskap till den grundläggande kunskap som understryker sådana processer eller om vi försöker förbättra tillverkningsprocesser," tillade Barsukov.
Den nya etsningsmodellen förklarar exakt hur fluorgas bryter vissa bindningar i kislet oftare än andra, beroende på orienteringen av bindningen vid ytan. Eftersom kisel är ett kristallint material binds atomer i ett styvt mönster. Dessa bindningar kan karakteriseras baserat på hur de är orienterade i mönstret, med varje typ av orientering, eller plan, identifierad med ett nummer inom parentes, såsom [100], [110] eller [111].
"Om du etsar kisel med fluorgas, fortsätter etsningen längs [100] och [110] kristallplan men etsar inte [111], vilket resulterar i en grov yta efter etsningen," förklarade Barsukov. När gasen etsar bort vid kislet ojämnt skapas gropar på kislets yta. Ju strävare yta, desto mer ljus kan den absorbera, vilket gör grovt svart kisel idealiskt för solceller. Jämnt kisel är däremot en idealisk yta för att skapa de mönster i atomär skala som krävs för datorchips.
"Om du vill etsa kisel samtidigt som du lämnar en slät yta bör du använda en annan reaktant än fluor. Det bör vara en reaktant som etsar likformigt alla kristallina plan", sa Barsukov.
Forskningen är också anmärkningsvärd eftersom den representerar en tidig framgång inom ett av PPPL:s nyaste forskningsområden.
"Laboratoriet diversifierar", säger Igor Kaganovich, forskningsfysiker och medförfattare till tidningen. "Detta är det första för PPPL, att göra den här typen av kvantkemiarbete."
Kvantkemi är en gren av vetenskapen som undersöker strukturen och reaktiviteten hos molekyler med hjälp av kvantmekanik, fysikens lagar som styr mycket små och mycket lätta föremål, såsom elektroner och kärnor.
Andra forskare som bidragit till uppsatsen inkluderar Joseph Vella, biträdande forskningsfysiker; Sierra Jubin, en doktorand vid Princeton University; och tidigare forskningsassistent vid PPPL Omesh Dhar Dwivedi.
Mer information: Omesh Dhar Dwivedi et al, Orienteringsberoende etsning av kisel av fluormolekyler:En kvantkemiberäkningsstudie, Journal of Vacuum Science &Technology A (2023). DOI:10.1116/6.0002841
Tillhandahålls av Princeton Plasma Physics Laboratory
