Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een nieuw theoretisch model ontwikkeld dat één manier uitlegt om zwart silicium te maken, een belangrijk materiaal dat wordt gebruikt in zonnecellen, lichtsensoren, antibacteriële oppervlakken en vele andere toepassingen.

Zwart silicium wordt gemaakt wanneer het oppervlak van gewoon silicium wordt geëtst, waardoor kleine putjes op nanoschaal op het oppervlak ontstaan. Deze putjes veranderen de kleur van het silicium van grijs in zwart en houden, cruciaal, meer licht vast, een essentieel kenmerk van efficiënte zonnecellen.

Hoewel er veel manieren zijn om zwart silicium te maken, waaronder enkele die gebruik maken van de geladen, vierde materietoestand die bekend staat als plasma, richt het nieuwe model zich op een proces dat alleen fluorgas gebruikt. PPPL postdoctoraal onderzoeksmedewerker Yuri Barsukov zei dat de keuze om zich op fluor te concentreren opzettelijk was:het team van PPPL wilde een leemte in openbaar beschikbaar onderzoek opvullen. Hoewel er enkele artikelen zijn gepubliceerd over de rol van geladen deeltjes, ionen genaamd, bij de productie van zwart silicium, is er niet veel gepubliceerd over de rol van neutrale stoffen, zoals fluorgas.

"We kennen nu – met grote specificiteit – de mechanismen die ervoor zorgen dat deze putten ontstaan ​​wanneer fluorgas wordt gebruikt", zegt Barsukov, een van de auteurs van een nieuw artikel over het werk, dat verschijnt in het Journal of Vacuum Science &Technologie A .

"Dit soort informatie, publiekelijk gepubliceerd en openlijk beschikbaar, komt ons allemaal ten goede, of we nu verdere kennis nastreven in de basiskennis die dergelijke processen onderstreept of we proberen productieprocessen te verbeteren," voegde Barsukov eraan toe.

Het model laat zien dat bindingen verbreken op basis van atoomoriëntatie aan het oppervlak

Het nieuwe etsmodel legt precies uit hoe fluorgas bepaalde bindingen in het silicium vaker verbreekt dan andere, afhankelijk van de oriëntatie van de binding aan het oppervlak. Omdat silicium een ​​kristallijn materiaal is, binden atomen zich in een stijf patroon. Deze verbindingen kunnen worden gekarakteriseerd op basis van de manier waarop ze in het patroon zijn georiënteerd, waarbij elk type oriëntatie of vlak wordt geïdentificeerd door een getal tussen haakjes, zoals [100], [110] of [111].

"Als je silicium etst met fluorgas, verloopt het etsen langs de kristalvlakken [100] en [110], maar etst niet [111], wat resulteert in een ruw oppervlak na het etsen", legt Barsukov uit. Terwijl het gas ongelijkmatig op het silicium wegetst, ontstaan ​​er putjes op het oppervlak van het silicium. Hoe ruwer het oppervlak, hoe meer licht het kan absorberen, waardoor ruw zwart silicium ideaal is voor zonnecellen. Glad silicium daarentegen is een ideaal oppervlak voor het creëren van patronen op atomaire schaal die nodig zijn voor computerchips.

"Als je silicium wilt etsen terwijl je een glad oppervlak achterlaat, moet je een andere reactant dan fluor gebruiken. Het moet een reactant zijn die alle kristallijne vlakken uniform etst", aldus Barsukov.

PPPL breidt zijn expertise uit naar de kwantumchemie

Het onderzoek is ook opmerkelijk omdat het een vroeg succes vertegenwoordigt in een van de nieuwste onderzoeksgebieden van PPPL.

"Het Lab is aan het diversifiëren", zegt Igor Kaganovich, hoofdonderzoeksfysicus en co-auteur van het artikel. "Dit is een primeur voor PPPL om dit soort kwantumchemiewerk te doen."

Kwantumchemie is een tak van de wetenschap die de structuur en reactiviteit van moleculen onderzoekt met behulp van de kwantummechanica, de wetten van de natuurkunde die van toepassing zijn op zeer kleine en zeer lichte objecten, zoals elektronen en kernen.

Andere onderzoekers die aan het artikel hebben bijgedragen, zijn onder meer Joseph Vella, universitair onderzoeksfysicus; Sierra Jubin, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Princeton; en voormalig onderzoeksassistent bij PPPL Omesh Dhar Dwivedi.

Meer informatie: Omesh Dhar Dwivedi et al., Oriëntatie-afhankelijk etsen van silicium door fluormoleculen:een computationeel onderzoek in de kwantumchemie, Journal of Vacuum Science &Technology A (2023). DOI:10.1116/6.0002841

Geleverd door Princeton Plasma Physics Laboratory