Pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA desenvolveram um novo modelo teórico que explica uma maneira de produzir silício preto, um material importante usado em células solares, sensores de luz, superfícies antibacterianas e muitas outras aplicações.



O silício preto é produzido quando a superfície do silício normal é gravada para produzir pequenos poços em nanoescala na superfície. Esses poços mudam a cor do silício de cinza para preto e, de forma crítica, retêm mais luz, uma característica essencial de células solares eficientes.

Embora existam muitas maneiras de produzir silício preto, incluindo algumas que usam o quarto estado carregado da matéria conhecido como plasma, o novo modelo se concentra em um processo que usa apenas gás flúor. O pesquisador associado de pós-doutorado do PPPL, Yuri Barsukov, disse que a escolha de focar no flúor foi intencional:a equipe do PPPL queria preencher uma lacuna na pesquisa disponível publicamente. Embora alguns artigos tenham sido publicados sobre o papel das partículas carregadas chamadas íons na produção de silício negro, pouco foi publicado sobre o papel das substâncias neutras, como o gás flúor.

"Agora sabemos - com grande especificidade - os mecanismos que causam a formação destas fossas quando o gás flúor é usado", disse Barsukov, um dos autores de um novo artigo sobre o trabalho, publicado no Journal of Vacuum Science &Tecnologia A .

“Este tipo de informação, publicada publicamente e disponível abertamente, beneficia a todos nós, quer busquemos mais conhecimento no conhecimento básico que sustenta tais processos ou procuremos melhorar os processos de fabricação”, acrescentou Barsukov.

O modelo revela quebra de ligações com base na orientação do átomo na superfície

O novo modelo de gravação explica com precisão como o gás flúor quebra certas ligações no silício com mais frequência do que outras, dependendo da orientação da ligação na superfície. Como o silício é um material cristalino, os átomos se ligam em um padrão rígido. Essas ligações podem ser caracterizadas com base na forma como são orientadas no padrão, com cada tipo de orientação, ou plano, identificado por um número entre colchetes, como [100], [110] ou [111].

"Se você gravar o silício usando gás flúor, a gravação prosseguirá ao longo dos planos cristalinos [100] e [110], mas não gravará [111], resultando em uma superfície áspera após a gravação", explicou Barsukov. À medida que o gás grava o silício de maneira desigual, são criadas depressões na superfície do silício. Quanto mais áspera a superfície, mais luz ela pode absorver, tornando o silício preto áspero ideal para células solares. O silício liso, por outro lado, é uma superfície ideal para criar os padrões em escala atômica necessários para chips de computador.

"Se você quiser gravar o silício deixando uma superfície lisa, você deve usar outro reagente que não o flúor. Deve ser um reagente que ataque uniformemente todos os planos cristalinos", disse Barsukov.

PPPL expande sua experiência em química quântica

A pesquisa também é notável porque representa um sucesso inicial em uma das mais novas áreas de pesquisa do PPPL.

“O laboratório está se diversificando”, disse Igor Kaganovich, principal físico pesquisador e coautor do artigo. "Esta é a primeira vez que o PPPL faz esse tipo de trabalho de química quântica."

A química quântica é um ramo da ciência que investiga a estrutura e a reatividade das moléculas usando a mecânica quântica, as leis da física que regem objetos muito pequenos e muito leves, como elétrons e núcleos.

Outros pesquisadores que contribuíram para o artigo incluem Joseph Vella, físico pesquisador associado; Sierra Jubin, estudante de pós-graduação na Universidade de Princeton; e ex-assistente de pesquisa do PPPL Omesh Dhar Dwivedi.

Mais informações: Omesh Dhar Dwivedi et al, Gravura de silício dependente de orientação por moléculas de flúor:Um estudo computacional de química quântica, Journal of Vacuum Science &Technology A (2023). DOI:10.1116/6.0002841
Fornecido pelo Laboratório de Física de Plasma de Princeton