Un estudio publicado en Nanoescala demuestra que Zn₃ de alta calidad P₂ los cristales, libres de defectos de interfaz, se pueden fabricar con un enfoque a nanoescala. Consiste en utilizar epitaxia de área selectiva para hacer crecer nanohilos de Zn₃ P₂ , un material de interés para su aplicación en celdas solares y fotovoltaicas. Este trabajo, coordinado por el líder del grupo ICREA de ICN2, el Prof. Jordi Arbiol, también emplea técnicas de microscopía de última generación y simulaciones en 3D para investigar a fondo la formación de estructuras orientadas de manera diferente dentro de los nanocables.

Fosfuro de zinc (Zn₃ P₂ ) es un semiconductor cuyas propiedades, incluyendo la abundancia de sus componentes en la Tierra, una banda prohibida directa y una alta capacidad para absorber luz en el rango visible, lo convierten en un candidato atractivo para su uso en células solares como absorbente, es decir, la capa que produce portadores de carga libres como resultado de la absorción de luz. Sin embargo, los estudios en profundidad al respecto son limitados debido a las dificultades que implica fabricar material de alta calidad. En particular, los cristales de Zn₃ P₂ se producen por crecimiento epitaxial sobre un sustrato, pero las características estructurales de este material dificultan el crecimiento de masas extendidas sin incurrir en defectos que pueden dificultar su rendimiento.

El estudio utiliza una estrategia de fabricación de nanoestructuras para producir nanocables de Zn₃ P₂ con deformaciones elásticas reducidas, lo que resulta en muchos menos defectos en la interfaz con el sustrato. Además de demostrar que este enfoque es favorable, el trabajo también utiliza técnicas avanzadas de microscopía, imagen y simulación para analizar el proceso de crecimiento hasta el nivel atómico e investigar las características y la influencia de otro tipo de irregularidades que aparecen en los nanocables desarrollados. Esta investigación ha sido coordinada por el Prof. ICREA Jordi Arbiol, líder del Grupo de Nanoscopia Electrónica Avanzada del ICN2, y la Prof. Anna Fontcuberta i Morral, de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Suiza); Los primeros autores del artículo son la Dra. Maria Chiara Spadaro, investigadora postdoctoral en el grupo del Prof. Arbiol, y el Dr. Simon Escobar Steinvall, anteriormente en la EPFL y actualmente investigador postdoctoral en la Universidad de Lund (Suecia).

Los investigadores cultivaron Zn₃ P₂ nanocables sobre un sustrato de fosfuro de indio (InP) por medio de epitaxia de área selectiva (SAE), una técnica en la que se usa una máscara para limitar el crecimiento a aberturas diseñadas específicamente y direcciones deseadas. La pequeña superficie de contacto entre los dos materiales y el uso de una máscara permitieron la fabricación de nanocables sin dislocaciones inadaptadas en la interfaz o, en otras palabras, sin defectos relacionados con la interfaz. En particular, se eligieron dos orientaciones cristalinas para hacer crecer los nanocables, a 45 grados entre sí, y ambas exhibieron la misma alta calidad.

Sin embargo, hay otros defectos que pueden aparecer durante el proceso de fabricación, incluso utilizando este enfoque a nanoescala, y en realidad son más difíciles de monitorear y controlar. De hecho, los autores de este estudio observaron la formación de dominios rotados en el material crecido, lo que significa que hay partes dentro de toda la estructura que presentan una orientación cristalina diferente con respecto al resto. Con el fin de analizar en detalle este fenómeno y cómo afecta a la calidad del Zn₃ P₂ nanocables, los autores de este estudio utilizaron técnicas de vanguardia (imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de alto ángulo corregida por aberración de resolución atómica, o AC-HAADF STEM) para recopilar información estructural sobre el material hasta el nivel atómico . También utilizaron los datos recopilados para crear modelos atómicos 3D confiables que realizan simulación de imágenes HAADF-STEM, para obtener una visión más profunda del proceso de crecimiento.

Observaron dominios girados 120 grados en ambos tipos de nanocables (de 0 grados y 45 grados de orientación cristalina), cuyas interfaces son muy nítidas. No se formaron enlaces colgantes ni estados electrónicos intermedios en la interfaz rotada. Explicaron este fenómeno como resultado del crecimiento simultáneo e independiente de cristales con diferentes orientaciones en partes separadas de las aberturas de la máscara. A medida que continúa el crecimiento, todas las partes se fusionan en una estructura única y la dominante integra completamente a las demás. Se realizaron dos animaciones para ilustrar este proceso en los dos tipos de nanocables; están disponibles aquí (orientación de 0 grados) y aquí (orientación de 45 grados).

Este estudio demuestra que el enfoque a nanoescala basado en la epitaxia de área selectiva garantiza la fabricación de Zn₃ de mayor calidad. P₂ cristales, es decir, su crecimiento sin defectos en la interfase. También demuestra las capacidades de las técnicas avanzadas de microscopía e imagen (específicamente, el AC HAADF-STEM mencionado anteriormente) y el modelado atómico 3D y las simulaciones de imágenes para comprender completamente la formación de defectos y su impacto en nuevos materiales. + Explora más

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