p Pesquisadores do grupo 3-D-Photovoltaics da AMOLF usaram um microscópio de força atômica para imprimir eletroquimicamente em nanoescala. Essa técnica pode imprimir estruturas para uma nova geração de células solares em chips. Os pesquisadores publicaram seus resultados hoje no jornal online Nanoescala . p Os aglomerados de cobre na superfície da placa de ouro formam as letras AMOLF (ver imagem). Estes são invisíveis a olho nu, porque as letras têm apenas algumas centenas de nanômetros de tamanho. Contudo, a imagem é claramente visível através do microscópio usado para escrever as letras. Mark Aarts, Ph.D. estudante do grupo 3-D-Fotovoltaica, usou este microscópio de força atômica (AFM) para manipular íons de cobre dissolvidos para formar essas letras.

p Ele pode usar a técnica para desenhar qualquer forma desejada em uma superfície. A técnica é adequada para a produção de uma nova geração de células solares nano-arquitetadas, que capturam a luz solar em nanoestruturas verticais, como fios, cones ou talvez até elementos em forma de árvore. A líder do grupo, Esther Alarcón, disse:"Em células solares tradicionais, a luz incide na camada horizontal superior; fica mais escuro à medida que a profundidade do material aumenta. Em células solares 3-D, em vez de apenas a camada superior, todo o volume do material fica ativo. “Um dos desafios é desenvolver uma nova técnica para produzir nanofios de baixo para cima com a ajuda de processos eletroquímicos em vez de cortá-los de um pedaço maior de material. É exatamente isso que a Aarts é trabalhando em.

p Desenho com cobre

p Crianças em idade escolar podem realizar uma reação eletroquímica simples com uma solução azul clara de sulfato de cobre em um vidro e dois clipes de papel como eletrodos. Quando uma voltagem é aplicada aos clipes de papel, depósitos de cobre em um deles.

p O mesmo acontece em nanoescala no AFM. Uma pequena agulha de platina, 50 nanômetros de diâmetro, move-se sobre uma superfície como a agulha de um toca-discos movendo-se sobre um disco. Neste experimento, esta ponta atua como um clipe de papel, e uma pequena placa de ouro (ou o chip) em que a estrutura é desenhada atua como o outro clipe de papel. Todo o conjunto é suspenso em uma solução de sulfato de cobre. Quando uma tensão é aplicada nos eletrodos, depósitos de cobre precisamente onde a ponta está localizada na superfície do ouro. Se a ponta for movida, em seguida, os depósitos de cobre um pouco mais para cima. Com esta abordagem, um padrão pode ser desenhado eletroquimicamente em um chip usando um AFM.

p Dupla camada

p Logo ficou claro que o processo eletroquímico em nanoescala não ocorria da mesma forma que na escala de mesa de cozinha. Por exemplo, para sua surpresa, Aarts viu que mais cobre foi depositado na superfície em concentrações mais baixas da solução de sulfato de cobre. Em altas concentrações, era impossível escrever.

p Contudo, bater na superfície com a ponta AFM funcionou bem. Isso foi necessário porque sem esse toque, nenhum cobre foi formado. Um processo fundamental está por trás disso, Aarts explica. "Uma camada com a carga oposta sempre se forma em torno de um eletrodo carregado. Essa 'camada dupla' também se forma em torno de nossa ponta de AFM e do eletrodo de ouro, e isso evita que a reação do cobre ocorra. Isso é surpreendente, porque na balança da mesa da cozinha, a camada dupla é o que facilita a reação. Batendo a ponta na superfície, a camada dupla está quebrada, o que permite que a reação ocorra localmente. "

p Aarts está satisfeita com o sucesso da produção de padrões 3-D usando um AFM e uma reação eletroquímica. O efeito da concentração e a necessidade de bater nunca foram observados anteriormente, diz o pesquisador. “A dupla camada é um dos fenômenos mais importantes da eletroquímica, mas ainda não o entendemos totalmente. Este conhecimento pode ser importante para o desenvolvimento de baterias aprimoradas ou eletrocatálise. "

p As estruturas que Aarts desenha atualmente têm cerca de 50 nanômetros de tamanho, porque essa é a dimensão da ponta do AFM. Contudo, menor seria melhor. "Achamos que poderíamos facilmente usar uma ponta menor para desenhar estruturas ainda menores."

p O sonho dos pesquisadores é produzir células solares com essa técnica. Isso exigirá que as estruturas sejam mais altas. “Aumentar a altura de forma controlada ainda é difícil, "diz Aarts, e os pesquisadores estão trabalhando nisso. Em última análise, a produção de células solares exigirá estruturas construídas com diversos materiais, como gálio e arseneto, que combinados formam as melhores células solares. "Com eletroquímica, podemos facilmente aplicar os materiais simultaneamente ou em sequência. Dentro do grupo, também estamos investigando esses processos, e esperamos combinar tudo isso no futuro. "