p (PhysOrg.com) - Os pesquisadores da Cornell desenvolveram um novo método para criar um filme fino de cristal único padronizado de material semicondutor que poderia levar a células fotovoltaicas e baterias mais eficientes. p O "Santo Graal" para tais aplicações tem sido a criação com base em silício, ou substrato, um filme com uma estrutura 3-D em nanoescala, com a estrutura cristalina do filme alinhada na mesma direção (epitaxialmente) do substrato. Fazer isso é o culminar de anos de pesquisa de Uli Wiesner, professor de ciência e engenharia de materiais, no uso de química de polímeros para criar estruturas de automontagem em nanoescala.

p Ele e seus colegas relatam o avanço na edição de 8 de outubro da revista Science. Eles usaram o novo método para criar um filme com uma textura em relevo, feito de pequenos pilares com apenas alguns nanômetros de diâmetro. "Apenas a capacidade de fazer uma nanoestrutura de cristal único é muito promissora, "Wiesner disse." Nós combinamos isso com a capacidade dos materiais poliméricos orgânicos de se automontarem em nanoescala em várias estruturas que podem ser modeladas no material cristalino. "

p O grupo de pesquisa de Wiesner usou anteriormente técnicas de automontagem para criar células solares de Gräetzel, que usam um corante orgânico imprensado entre dois condutores. Organizar os condutores em um padrão 3-D complexo cria mais área de superfície para coletar luz e permite um transporte de carga mais eficiente, Wiesner disse.

p O desempenho melhora ainda mais quando os materiais condutores são monocristais, Disse Wiesner. A maioria das técnicas para a criação de tais filmes produz material policristalino - uma coleção de "grãos" ou pequenos cristais agrupados aleatoriamente - e os limites dos grãos retardam o movimento das cargas elétricas, ele explicou.

p O método de Wiesner usa copolímeros em bloco para criar modelos porosos nos quais um novo material pode fluir e cristalizar. Um polímero consiste em moléculas orgânicas que se ligam em longas cadeias para formar um sólido. Um copolímero em bloco é formado pela união de duas moléculas diferentes em suas extremidades. Quando eles se acorrentam e são misturados com óxidos de metal, um forma um padrão em nanoescala de formas geométricas repetidas, enquanto o outro preenche o espaço intermediário. Queimar o polímero deixa uma nanoestrutura de óxido de metal poroso que pode atuar como um molde.

p A equipe de Wiesner criou um modelo com poros hexagonais em um substrato de cristal único de silício e depositou filmes de silício amorfo ou siliceto de níquel sobre ele. Em colaboração com Mike Thompson, professor associado de ciência e engenharia de materiais, eles então aqueceram a superfície de silício com pulsos de laser muito curtos (nanossegundos). Isso derrete a camada recém-depositada e os poucos mícrons superiores (milionésimos de metro) do substrato de silício. Depois de apenas algumas dezenas de nanossegundos, o silício fundido recristaliza com o substrato de silício de cristal único agindo como um cristal semente para desencadear a cristalização no material depositado acima dele, fazendo com que o cristal se alinhe epitaxialmente com a semente.

p O modelo é dissolvido, deixando uma série de pilares hexagonais com cerca de 30 nm de diâmetro. A equipe fez filmes nanoestruturados porosos de até 100 nm de espessura com outras formas complexas. Em um trabalho anterior, Wiesner criou treliças de cilindros, aviões, esferas e "giroides" complexos, variando a composição de copolímeros.

p Outros materiais podem ser depositados, disseram os pesquisadores. O objetivo aqui, eles disseram, era demonstrar a formação de filme com o mesmo material do substrato (oficialmente conhecido como homoepitaxi) e com um material diferente (heteroepitaxi).

p Em um outro experimento de prova de conceito, os pesquisadores mostraram que o filme fino estruturado pode ser arranjado em padrões de escala mícron, como pode ser necessário no projeto de um circuito eletrônico, colocando uma máscara sobre a superfície antes de aplicar o aquecimento a laser.

p "Essencialmente, chegamos ao Santo Graal, "Wiesner disse." Não é apenas um único cristal nanoestruturado, mas tem uma relação epitaxial com o substrato. Não há melhor controle. "