Investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. han desarrollado un nuevo modelo teórico que explica una forma de producir silicio negro, un material importante utilizado en células solares, sensores de luz, superficies antibacterianas y muchas otras aplicaciones.
El silicio negro se produce cuando se graba la superficie del silicio normal para producir pequeños hoyos a nanoescala en la superficie. Estos hoyos cambian el color del silicio de gris a negro y, lo que es más importante, atrapan más luz, una característica esencial de las células solares eficientes.
Si bien hay muchas formas de producir silicio negro, incluidas algunas que utilizan el cuarto estado cargado de la materia conocido como plasma, el nuevo modelo se centra en un proceso que utiliza únicamente gas flúor. Yuri Barsukov, investigador postdoctoral asociado de PPPL, dijo que la elección de centrarse en el flúor fue intencional:el equipo de PPPL quería llenar un vacío en la investigación disponible públicamente. Si bien se han publicado algunos artículos sobre el papel de las partículas cargadas llamadas iones en la producción de silicio negro, no se ha publicado mucho sobre el papel de las sustancias neutras, como el gas flúor.
"Ahora conocemos, con gran especificidad, los mecanismos que causan que se formen estos hoyos cuando se utiliza gas flúor", dijo Barsukov, uno de los autores de un nuevo artículo sobre el trabajo, que aparece en el Journal of Vacuum Science &Tecnología A .
"Este tipo de información, publicada públicamente y disponible abiertamente, nos beneficia a todos, ya sea que busquemos profundizar en los conocimientos básicos que sustentan dichos procesos o que busquemos mejorar los procesos de fabricación", añadió Barsukov.
El nuevo modelo de grabado explica con precisión cómo el gas flúor rompe ciertos enlaces en el silicio con más frecuencia que otros, dependiendo de la orientación del enlace en la superficie. Como el silicio es un material cristalino, los átomos se unen siguiendo un patrón rígido. Estos enlaces se pueden caracterizar según la forma en que están orientados en el patrón, con cada tipo de orientación o plano identificado por un número entre corchetes, como [100], [110] o [111].
"Si se graba silicio con gas flúor, el grabado avanza a lo largo de los planos [100] y [110] del cristal, pero no se graba [111], lo que da como resultado una superficie rugosa después del grabado", explicó Barsukov. A medida que el gas erosiona el silicio de manera desigual, se crean hoyos en la superficie del silicio. Cuanto más rugosa es la superficie, más luz puede absorber, lo que hace que el silicio negro rugoso sea ideal para células solares. El silicio liso, por el contrario, es una superficie ideal para crear los patrones a escala atómica necesarios para los chips de computadora.
"Si desea grabar silicio dejando una superficie lisa, debe utilizar otro reactivo distinto del flúor. Debe ser un reactivo que grabe uniformemente todos los planos cristalinos", dijo Barsukov.
La investigación también es notable porque representa un éxito temprano en una de las áreas de investigación más nuevas de PPPL.
"El laboratorio se está diversificando", afirmó Igor Kaganovich, físico investigador principal y coautor del artículo. "Esta es la primera vez que PPPL realiza este tipo de trabajo de química cuántica".
La química cuántica es una rama de la ciencia que investiga la estructura y reactividad de las moléculas utilizando la mecánica cuántica, las leyes de la física que gobiernan objetos muy pequeños y muy ligeros, como electrones y núcleos.
Otros investigadores que contribuyeron al artículo incluyen a Joseph Vella, físico investigador asociado; Sierra Jubin, estudiante de posgrado de la Universidad de Princeton; y ex asistente de investigación en PPPL Omesh Dhar Dwivedi.
Más información: Omesh Dhar Dwivedi et al, Grabado de silicio dependiente de la orientación mediante moléculas de flúor:un estudio computacional de química cuántica, Journal of Vacuum Science &Technology A (2023). DOI:10.1116/6.0002841
Proporcionado por el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton
