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(noticias nanowerk) Investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. han desarrollado un nuevo modelo teórico que explica una forma de producir silicio negro, un material importante para células solares, sensores de luz, superficies antibacterianas y muchas otras aplicaciones.
El silicio negro se forma cuando se graba la superficie del silicio normal para crear pequeños hoyos a nanoescala en la superficie. Estas depresiones cambian el color del silicio de gris a negro y, lo más importante, capturan más luz, una característica clave de las células solares eficientes.
Si bien hay muchas formas de producir silicio negro, incluidas algunas que utilizan el cuarto estado cargado llamado plasma, el nuevo modelo se centra en un proceso que utiliza únicamente gas flúor. Yuri Barsukov, becario postdoctoral del PPPL, dijo que la decisión de centrarse en el flúor fue intencionada: el equipo del PPPL quería llenar un vacío en la investigación disponible públicamente. Si bien se han publicado algunos artículos sobre el papel de las partículas cargadas llamadas iones en la producción de silicio negro, no se ha publicado mucho sobre el papel de sustancias neutras como el gas flúor.
«Ahora conocemos, con gran precisión, los mecanismos que provocan que se formen estos agujeros cuando se utiliza gas flúor», dijo Barsukov, uno de los autores de un nuevo artículo sobre el trabajo. «Este tipo de información, publicada y disponible abiertamente, nos beneficia a todos, ya sea que estemos profundizando en el conocimiento fundamental que subyace a dichos procesos o tratando de mejorar los procesos de fabricación».
El modelo muestra que los enlaces se rompen debido a la orientación de los átomos en la superficie.
El nuevo modelo de grabado explica exactamente cómo el gas flúor rompe ciertos enlaces en el silicio con más frecuencia que otros, dependiendo de la orientación del enlace en la superficie. Como el silicio es un material cristalino, los átomos están unidos entre sí siguiendo un patrón rígido. Estos enlaces se pueden caracterizar por la naturaleza de su orientación en el patrón, con cada tipo de orientación o plano identificado por un número entre paréntesis, p.e. B. (100), (110) o (111).
«Cuando se graba silicio con gas flúor, el grabado avanza a lo largo de los planos cristalinos (100) y (110), pero no graba (111), lo que da como resultado una superficie rugosa después del grabado», explicó Barsukov. Debido a que el gas elimina el silicio de manera desigual, aparecen depresiones en la superficie del silicio. Cuanto más rugosa es la superficie, más luz puede absorber, por lo que el silicio negro rugoso es ideal para las células solares. El silicio liso, por otra parte, es una superficie ideal para crear los patrones a escala atómica necesarios para los chips de computadora.
“Si desea grabar el silicio y dejar una superficie lisa, debe utilizar un reactivo distinto del flúor. Debería ser un reactivo que grabe todos los planos del cristal de manera uniforme”, afirmó Barsukov.
PPPL amplía su experiencia en química cuántica
La investigación también es notable porque representa un éxito temprano en una de las áreas de investigación más nuevas de PPPL.
«El laboratorio se está diversificando», afirmó Igor Kaganovich, físico investigador senior y coautor del artículo publicado en Revista de ciencia y tecnología del vacío A (“Grabado de silicio dependiente de la orientación por moléculas de flúor: un estudio computacional químico cuántico”). «Esta es la primera vez que PPPL realiza este tipo de trabajo de química cuántica».
La química cuántica es una rama de la ciencia que estudia la estructura y reactividad de las moléculas utilizando la mecánica cuántica: las leyes de la física que gobiernan objetos muy pequeños y muy ligeros como los electrones y los núcleos.
Otros investigadores que contribuyeron al trabajo incluyen a Joseph Vella, físico investigador asociado; Sierra Jubin, estudiante de posgrado de la Universidad de Princeton; y ex investigador de PPPL Omesh Dhar Dwivedi.
Esta investigación fue apoyada por fondos de investigación y desarrollo dirigidos por el laboratorio PPPL para procesos novedosos e innovadores para el grabado altamente selectivo y autolimitante relevante para la nanofabricación de materiales de dispositivos microelectrónicos y cuánticos.
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