Investigadores del grupo 3-D-Photovoltaics de AMOLF han utilizado un microscopio de fuerza atómica para imprimir electroquímicamente a nanoescala. Esta técnica puede imprimir estructuras para una nueva generación de células solares en chips. Los investigadores publicaron sus resultados hoy en la revista en línea. Nanoescala .

Los racimos de cobre en la superficie de la placa de oro forman las letras AMOLF (ver imagen). Estos son invisibles a simple vista, porque las letras tienen un tamaño de unos pocos cientos de nanómetros. Sin embargo, la imagen es claramente visible a través del microscopio utilizado para escribir las letras. Mark Aarts, Doctor. estudiante del grupo 3-D-Fotovoltaica, usó este microscopio de fuerza atómica (AFM) para manipular iones de cobre disueltos para formar estas letras.

Puede usar la técnica para dibujar cualquier forma deseada en una superficie. La técnica es adecuada para la producción de una nueva generación de células solares con nanoarquitectura, que capturan la luz solar en nanoestructuras verticales como cables, conos o quizás incluso elementos en forma de árbol. La líder del grupo Esther Alarcón dice:"En las células solares tradicionales, la luz cae sobre la capa horizontal superior; se vuelve más oscuro a medida que aumenta la profundidad en el material. En células solares 3-D, en lugar de solo la capa superior, todo el volumen del material está activo ". Uno de los desafíos es desarrollar una nueva técnica para producir nanocables de abajo hacia arriba con la ayuda de procesos electroquímicos en lugar de cortarlos de una pieza más grande de material. Eso es precisamente lo que Aarts es trabajando en.

Dibujo con cobre

Los escolares pueden realizar una reacción electroquímica simple con una solución azul clara de sulfato de cobre en un vaso y dos sujetapapeles como electrodos. Cuando se aplica voltaje a los clips, depósitos de cobre en uno de ellos.

Lo mismo ocurre a nanoescala en el AFM. Una diminuta aguja de platino 50 nanómetros de diámetro, se mueve sobre una superficie como la aguja de un tocadiscos moviéndose sobre un disco. En este experimento, esta punta actúa como un clip, y una pequeña placa de oro (o la ficha) en la que se dibuja la estructura actúa como el otro clip. Toda la instalación se suspende en una solución de sulfato de cobre. Cuando se aplica un voltaje a través de los electrodos, depósitos de cobre precisamente donde se encuentra la punta en la superficie de oro. Si se mueve la punta, luego, el cobre se deposita un poco más arriba. Con este enfoque, se puede dibujar un patrón electroquímicamente en un chip usando un AFM.

Doble capa

Pronto quedó claro que el proceso electroquímico a nanoescala no procedía de la misma manera que en la báscula de la mesa de la cocina. Por ejemplo, para su sorpresa, Aarts vio que se depositaba más cobre en la superficie a concentraciones más bajas de la solución de sulfato de cobre. A altas concentraciones, era imposible escribir.

Sin embargo, Golpear la superficie con la punta AFM funcionó bien. Eso era necesario porque sin este tapping, no se formó cobre. Un proceso fundamental subyace a esto, Aarts explica. "Una capa con la carga opuesta siempre se forma alrededor de un electrodo cargado. Esta 'doble capa' también se forma alrededor de nuestra punta AFM y el electrodo de oro, y eso evita que se produzca la reacción del cobre. Eso es sorprendente porque en la balanza de la mesa de la cocina, la doble capa es la que facilita la reacción. Dando golpecitos con la punta en la superficie, la doble capa está rota, lo que permite que la reacción tenga lugar localmente ".

Aarts está satisfecho con la producción exitosa de patrones 3-D utilizando un AFM y una reacción electroquímica. El efecto de concentración y la necesidad de golpear nunca se habían observado anteriormente, dice el investigador. "La doble capa es uno de los fenómenos más importantes de la electroquímica, pero todavía no lo entendemos del todo. Este conocimiento podría ser importante para el desarrollo de baterías mejoradas o electrocatálisis ".

Las estructuras que Aarts dibuja actualmente tienen un tamaño de aproximadamente 50 nanómetros, porque esa es la dimensión de la punta AFM. Sin embargo, más pequeño sería mejor. "Creemos que fácilmente podríamos usar una punta más pequeña para dibujar estructuras aún más pequeñas".

El sueño de los investigadores es producir células solares utilizando esta técnica. Esto requerirá que las estructuras sean más altas. "Aumentar la altura de forma controlada sigue siendo difícil, "dice Aarts, y los investigadores están trabajando en eso. Por último, la producción de células solares requerirá estructuras construidas con varios materiales, como galio y arseniuro, que combinados forman las mejores células solares. "Con electroquímica, podemos aplicar fácilmente materiales simultáneamente o en secuencia. Dentro del grupo también estamos investigando estos procesos, y esperamos combinarlo todo en el futuro ".