Voor de eerste keer, een team van HZB heeft de atomaire substructuur van amorf silicium geïdentificeerd met een resolutie van 0,8 nanometer met behulp van röntgen- en neutronenverstrooiing bij BESSY II en BER II. Dergelijke a-Si:H dunne films worden al tientallen jaren gebruikt in zonnecellen, TFT-schermen, en detectoren. De resultaten laten zien dat zich drie verschillende fasen vormen binnen de amorfe matrix, wat de kwaliteit en levensduur van de halfgeleiderlaag dramatisch beïnvloedt.

Silicium hoeft niet kristallijn te zijn, maar kan ook worden geproduceerd als een amorfe dunne film. In dergelijke amorfe films, de atomaire structuur is ongeordend zoals in een vloeistof of glas. Als bij de productie van deze dunne lagen extra waterstof wordt toegevoegd, er worden zogenaamde a-Si:H-lagen gevormd. "Dergelijke a-Si:H dunne films zijn al tientallen jaren bekend en worden voor verschillende toepassingen gebruikt, bijvoorbeeld als contactlagen in wereldrecord tandemzonnecellen van perovskiet en silicium, recent ontwikkeld door HZB, " legt prof. Klaus Lips van de HZB uit. "Met dit onderzoek laten we zien dat a-Si:H geenszins een homogeen amorf materiaal is. De amorfe matrix wordt afgewisseld met nanometergrote gebieden met verschillende lokale dichtheid, van holtes tot gebieden van extreem hoge orde, ', merkt de natuurkundige op.

In samenwerking met de Technische Universiteiten van Eindhoven en Delft, Lips en zijn team zijn er voor het eerst in geslaagd om deze inhomogeniteiten experimenteel te observeren en kwantitatief te meten in verschillend geproduceerde a-Si:H dunne films. Om dit te doen, ze combineerden de resultaten van complementaire analysemethoden om een ​​totaalbeeld te vormen.

"We vinden een nanoscopische orde in de wanorde van de a-Si:H-lagen door röntgenverstrooiingsmetingen uitgevoerd bij BESSY II. We waren toen in staat om de verdeling van de waterstofatomen in het amorfe netwerk te bepalen door neutronenverstrooiing op de voormalige onderzoeksreactor BER II op de HZB-site Wannsee, " zegt Eike Gericke, doctoraat student en eerste auteur van de paper. Verdere inzichten werden verschaft door de elektronenmicroscopie uitgevoerd in het CCMS Corelab en metingen van elektronenspinresonantie (ESR).

"We waren in staat om holtes ter grootte van nanometers te ontdekken, die zijn gemaakt door iets meer dan 10 ontbrekende atomen. Deze holtes rangschikken zich in clusters met een terugkerende afstand van ongeveer 1,6 nanometer tot elkaar, " legt Gericke uit. Deze holtes worden in verhoogde concentraties gevonden wanneer de a-Si:H-laag met een zeer hoge snelheid is afgezet.

De onderzoekers vonden ook nanometergrote gebieden met een hogere orde in vergelijking met het omringende ongeordende materiaal. Deze dicht geordende domeinen (DOD) bevatten nauwelijks waterstof. "De DOD's vormen aggregaten met een diameter tot 15 nanometer en worden aangetroffen in alle a-Si:H-materialen die hier worden beschouwd, ’ legt Gericke uit.

"De DOD-regio's zijn theoretisch voorspeld in 2012 en zijn in staat om mechanische spanning in het materiaal te verminderen en zo bij te dragen aan de stabiliteit van de a-Si:H dunne film. De holtes daarentegen, kan elektronische degradatie van de halfgeleiderlagen bevorderen, zoals aangegeven door ESR-metingen, ' zegt Klaus Lips.

Gerichte optimalisatie van fabricageprocessen met betrekking tot de nu ontdekte substructuren zou nieuwe toepassingen mogelijk kunnen maken, zoals optische golfgeleiders voor programmeerbare fotonische systemen of een toekomstige siliciumbatterijtechnologie. Tenslotte, de bevindingen zullen ook helpen om eindelijk het microscopische mechanisme van door licht geïnduceerde afbraak van a-Si:H-zonnecellen te ontrafelen, een van de puzzels die de wetenschappelijke gemeenschap al meer dan 40 jaar probeert op te lossen.