(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van Cornell hebben een nieuwe methode ontwikkeld om een ​​eenkristal dunne film van halfgeleidermateriaal met patronen te creëren die zou kunnen leiden tot efficiëntere fotovoltaïsche cellen en batterijen.

De "heilige graal" voor dergelijke toepassingen was het creëren op een siliciumbasis, of ondergrond, een film met een 3D-structuur op nanoschaal, met het kristalrooster van de film uitgelijnd in dezelfde richting (epitaxiaal) als in het substraat. Dit is het resultaat van jarenlang onderzoek door Uli Wiesner, hoogleraar materiaalkunde en techniek, in het gebruik van polymeerchemie om zelfassemblerende structuren op nanoschaal te creëren.

Hij en zijn collega's melden de doorbraak in het 8 oktober nummer van het tijdschrift Science. Ze gebruikten de nieuwe methode om een ​​film te maken met een verhoogde textuur, opgebouwd uit kleine pilaren van slechts enkele nanometers in doorsnee. "Alleen al het vermogen om een ​​nanostructuur met één kristal te maken, belooft veel, " zei Wiesner. "We combineren dat met het vermogen van organische polymeermaterialen om zichzelf op nanoschaal te assembleren tot verschillende structuren die kunnen worden gemodelleerd in het kristallijne materiaal."

De onderzoeksgroep van Wiesner gebruikte eerder zelfassemblagetechnieken om Gräetzel-zonnecellen te maken, die een organische kleurstof gebruiken die tussen twee geleiders is ingeklemd. Door de geleiders in een complex 3D-patroon te plaatsen, ontstaat er meer oppervlak om licht te verzamelen en is een efficiënter ladingstransport mogelijk, zei Wiesner.

Prestaties verbeteren het meest wanneer de geleidende materialen eenkristallen zijn, zei Wiesner. De meeste technieken voor het maken van dergelijke films produceren polykristallijn materiaal - een verzameling "korrels" of kleine kristallen die willekeurig op elkaar zijn gestapeld - en korrelgrenzen vertragen de beweging van elektrische ladingen, hij legde uit.

De methode van Wiesner maakt gebruik van blokcopolymeren om poreuze mallen te maken waarin een nieuw materiaal kan vloeien en kristalliseren. Een polymeer bestaat uit organische moleculen die zich in lange ketens verbinden om een ​​vaste stof te vormen. Een blokcopolymeer wordt gemaakt door twee verschillende moleculen aan hun uiteinden te verbinden. Wanneer ze aan elkaar ketenen en worden gemengd met metaaloxiden, men vormt een patroon op nanoschaal van herhalende geometrische vormen, terwijl de andere de ruimte ertussen vult. Het wegbranden van het polymeer laat een poreuze metaaloxide-nanostructuur achter die als sjabloon kan dienen.

Het team van Wiesner creëerde een sjabloon met zeshoekige poriën op een silicium eenkristalsubstraat en legde daarop films van amorf silicium of nikkelsilicide af. In samenwerking met Mike Thompson, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, ze verwarmden vervolgens het siliciumoppervlak met zeer korte (nanoseconde) laserpulsen. Hierdoor smelten de nieuw afgezette laag en de bovenste paar micron (miljoensten van een meter) van het siliciumsubstraat. Na slechts enkele tientallen nanoseconden herkristalliseert het gesmolten silicium met het monokristallijne siliciumsubstraat dat werkt als een kiemkristal om kristallisatie in het afgezette materiaal erboven op gang te brengen, waardoor dat kristal epitaxiaal op één lijn ligt met het zaad.

Het sjabloon wordt opgelost, waardoor een reeks zeshoekige pilaren van ongeveer 30 nm overbleef. Het team heeft poreuze nanogestructureerde films tot 100 nm dik gemaakt met andere complexe vormen. In eerder werk creëerde Wiesner roosters van cilinders, vliegtuigen, bollen en complexe "gyroïden" door de samenstelling van copolymeren te variëren.

Andere materialen kunnen worden gedeponeerd, aldus de onderzoekers. Het doel hier, ze zeiden, was om de vorming van film aan te tonen met hetzelfde materiaal als het substraat (officieel bekend als homo-epitaxy) en met een ander materiaal (heteroepitaxy).

In een verder proof-of-concept-experiment, de onderzoekers toonden aan dat de gestructureerde dunne film kan worden gerangschikt in patronen op micronschaal, zoals nodig kan zijn bij het ontwerpen van een elektronische schakeling, door een masker over het oppervlak te leggen voordat u laserverwarming toepast.

"We zijn in wezen bij de heilige graal gekomen, " zei Wiesner. "Het is niet alleen een enkelkristal met nanostructuur, maar het heeft een epitaxiale relatie tot het substraat. Een betere controle is er niet."