Un pequeño chip de silicio, el cuadrado naranja brillante en el centro de este dispositivo de calentamiento especial, se calienta a una temperatura muy por debajo del punto de fusión del silicio. y luego se enfrió muy lentamente. El chip dentro de este dispositivo de calentamiento se colocó en el camino de un haz de sincrotrón para sondear sus cambios a nivel molecular a medida que pasaba por el proceso de fusión retrógrada. Foto:Patrick Gillooly
Como un cubo de hielo en un día caluroso la mayoría de los materiales se derriten, es decir, cambian de estado sólido a líquido, a medida que se calientan. Pero algunos materiales extraños hacen lo contrario:se derriten a medida que se enfrían. Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha descubierto que el silicio, el material más utilizado para chips de computadora y células solares, Puede exhibir esta extraña propiedad de "fusión retrógrada" cuando contiene altas concentraciones de ciertos metales disueltos en él.
El material, un compuesto de silicio, cobre, níquel y hierro, se "derrite" (en realidad, pasa de ser un sólido a una mezcla similar a un aguanieve de material sólido y líquido) cuando se enfría por debajo de los 900 grados Celsius, mientras que el silicio normalmente se derrite a 1414 grados C. Las temperaturas mucho más bajas permiten observar el comportamiento del material durante la fusión, basado en tecnología de microsonda de fluorescencia de rayos X especializada que utiliza un sincrotrón, un tipo de acelerador de partículas, como fuente.
El material y sus propiedades se describen en un artículo recién publicado en línea en la revista. Materiales avanzados. Líder del equipo Tonio Buonassisi, el Profesor Asistente de SMA de Ingeniería Mecánica y Fabricación, es el autor principal, y los autores principales son Steve Hudelson MS '09, y la becaria postdoctoral Bonna Newman PhD '08.
Los hallazgos podrían ser útiles para reducir el costo de fabricación de algunos dispositivos basados en silicio, especialmente aquellos en los que pequeñas cantidades de impurezas pueden reducir significativamente el rendimiento. En el material que estudiaron Buonassisi y sus investigadores, las impurezas tienden a migrar a la porción líquida, dejando atrás regiones de silicio más puro. Esto podría hacer posible producir algunos dispositivos basados en silicio, como las células solares, usando un menos puro, y por lo tanto menos costoso, grado de silicio que se purificaría durante el proceso de fabricación.
"Si puedes crear pequeñas gotas de líquido dentro de un bloque de silicio, sirven como pequeñas aspiradoras para aspirar las impurezas, ”Dice Buonassisi. Esta investigación también podría conducir a nuevos métodos para fabricar matrices de nanocables de silicio, tubos diminutos que son altamente conductores del calor y la electricidad.
Buonassisi predijo en un artículo de 2007 que debería ser posible inducir la fusión retrógrada en el silicio, pero las condiciones necesarias para producir tal estado, y estudiarlo a nivel microscópico, son altamente especializados y solo recientemente están disponibles. Para crear las condiciones adecuadas, Buonassisi y su equipo tuvieron que adaptar un dispositivo microscópico de "etapa caliente" que permitió a los investigadores controlar con precisión la velocidad de calentamiento y enfriamiento. Y para observar realmente lo que estaba sucediendo mientras el material se calentaba y enfriaba, se basaron en fuentes de rayos X de alta potencia basadas en sincrotrón en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California y en el Laboratorio Nacional Argonne en Illinois (investigadores de ambos laboratorios nacionales son coautores del artículo).
Una oblea de silicio que es el material más utilizado para chips de computadora y células solares. Foto:Patrick Gillooly
La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Clare Booth Luce, Doug Spreng y la Fundación de la Familia Chesonis, y McCrone Scientific proporcionó algunos equipos.
El material para las pruebas consistió en una especie de sándwich hecho de dos finas capas de silicio, con un relleno de cobre, níquel y hierro entre ellos. Primero se calentó lo suficiente para hacer que los metales se disolvieran en el silicio, pero por debajo del punto de fusión del silicio. La cantidad de metal fue tal que el silicio se sobresaturó, es decir, Se disolvió más metal en el silicio de lo que normalmente sería posible en condiciones estables. Por ejemplo, cuando se calienta un líquido, puede disolver más de otro material, pero luego, cuando se enfría, puede volverse sobresaturado, hasta que precipite el exceso de material.
En este caso, donde los metales se disolvieron en el silicio sólido, "Si empiezas a enfriarlo, llegas a un punto en el que induces la precipitación, y no tiene más remedio que precipitarse en fase líquida, ”Dice Buonassisi. Es en ese punto que el material se derrite.
Matthias Heuer, un científico investigador senior en Calisolar, una empresa de nueva creación de energía solar, dice que este trabajo es "único y nuevo en nuestro campo, ”Y“ permite una muy buena comprensión de cómo interactúan los metales de transición y los defectos estructurales ”. Pero agrega que aún quedan varias preguntas por responder en la investigación de seguimiento:“Ahora que sabemos que se pueden formar inclusiones líquidas, La pregunta es, ¿Qué tan eficientes son como sumideros de impurezas? ¿Qué tan estables son? ¿Pueden mantener las impurezas localizadas durante otros pasos del proceso, por ejemplo, durante el proceso de encendido final de una célula solar? "
