نیوزویز – محققان آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (PPPL) در وزارت انرژی ایالات متحده یک مدل نظری جدید توسعه داده‌اند که یکی از راه‌های ساخت سیلیکون سیاه را توضیح می‌دهد، ماده مهمی که در سلول‌های خورشیدی، حسگرهای نور، سطوح آنتی‌باکتریایی و بسیاری کاربردهای دیگر استفاده می‌شود.
سیلیکون سیاه زمانی تولید می‌شود که سطح سیلیکون معمولی برای ایجاد فرورفتگی‌های کوچک در مقیاس نانو روی سطح حک شود. این گودال‌ها رنگ سیلیکون را از خاکستری به سیاه تغییر می‌دهند و به طور بحرانی، نور بیشتری را جذب می‌کنند که یکی از ویژگی‌های ضروری سلول‌های خورشیدی کارآمد است.
اگرچه راه‌های زیادی برای ساخت سیلیکون سیاه وجود دارد، از جمله برخی از آنها که از حالت باردار و چهارم ماده استفاده می‌کنند پلاسمامدل جدید بر فرآیندی تمرکز دارد که فقط از گاز فلوئور استفاده می کند. دانشیار پژوهشی پسا دکتری PPPL یوری بارسوکوف گفت که انتخاب تمرکز بر فلوراید عمدی بوده است: تیم PPPL می‌خواست شکاف موجود در تحقیقات عمومی را پر کند. اگرچه برخی مقالات در مورد نقش ذرات باردار به نام یون در تولید سیلیکون سیاه منتشر شده است، اما در مورد نقش مواد خنثی مانند گاز فلوئور اطلاعات زیادی منتشر نشده است.
بارسوکوف، یکی از نویسندگان این مقاله می گوید: «ما اکنون می دانیم – با ویژگی بسیار زیاد – مکانیسم هایی که باعث ایجاد این حفره ها در هنگام استفاده از گاز فلوئور می شوند. کاغذ جدید درباره کار. این نوع اطلاعات که به‌صورت عمومی و در دسترس عموم منتشر می‌شود، به نفع همه ماست، خواه به دنبال دانش اضافی در دانش زیربنایی این فرآیندها باشیم یا به دنبال بهبود فرآیندهای تولید باشیم.»
این مدل شکستن پیوند را بر اساس جهت گیری اتم روی سطح نشان می دهد
مدل جدید اچینگ دقیقاً توضیح می‌دهد که چگونه گاز فلوئور، بسته به جهت پیوند روی سطح، پیوندهای خاصی را در سیلیکون بیشتر از سایرین از بین می‌برد. از آنجایی که سیلیکون یک ماده کریستالی است، اتم ها در یک الگوی جامد به یکدیگر متصل می شوند. این پیوندها را می توان بر اساس نحوه جهت گیری آنها در مدل مشخص کرد، با هر نوع جهت یا صفحه که با یک عدد در پرانتز، مانند (100)، (110)، یا (111) مشخص می شود.
بارسوکوف توضیح داد: “اگر سیلیکون را با استفاده از گاز فلوئور اچ کنید، اچ در امتداد صفحات کریستالی (100) و (110) پیش می‌رود، اما (111) را حکاکی نمی‌کند و در نتیجه پس از اچ کردن، سطحی ناهموار ایجاد می‌شود. از آنجایی که گاز سیلیکون را به طور ناهموار حک می کند، حفره هایی روی سطح سیلیکون ایجاد می شود. هرچه سطح ناهموارتر باشد، نور بیشتری را می‌تواند جذب کند و سیلیکون سیاه خشن را برای سلول‌های خورشیدی ایده‌آل می‌کند. در مقابل، سیلیکون صاف یک سطح ایده آل برای ایجاد الگوهای در مقیاس اتمی مورد نیاز برای تراشه های کامپیوتری است.
“اگر می خواهید سیلیکون را در حالی که سطحی صاف باقی می گذارید حکاکی کنید، باید از معرف دیگری غیر از فلوئور استفاده کنید. بارسوکوف گفت، این باید معرفی باشد که تمام صفحات کریستالی را به طور یکنواخت حکاکی کند.
PPPL در حال گسترش تخصص خود در شیمی کوانتومی است
این تحقیق همچنین قابل توجه است زیرا نشان دهنده موفقیت اولیه در یکی از جدیدترین حوزه های تحقیقاتی PPPL است.
گفت: این آزمایشگاه در حال تنوع است ایگور کاگانوویچفیزیکدان اصلی و نویسنده همکار مقاله، که در مجله علوم و فناوری خلاء A منتشر شد. “این اولین کاری است که PPPL این نوع کار شیمی کوانتومی را انجام می دهد.”
شیمی کوانتومی شاخه ای از علم است که ساختار و واکنش پذیری مولکول ها را با استفاده از مکانیک کوانتومی مطالعه می کند: قوانین فیزیک حاکم بر اجسام بسیار کوچک و بسیار سبک مانند الکترون ها و … هسته ها.
سایر محققانی که در این مقاله مشارکت داشتند عبارتند از: جوزف ولا، فیزیکدان پژوهشی. سیرا جوبین، دانشجوی کارشناسی ارشد در دانشگاه پرینستون؛ و محقق سابق PPPL Omesh Dhar Dwivedi.
این تحقیق توسط بودجه تحقیق و توسعه هدایت شده توسط آزمایشگاه PPPL برای فرآیندهای جدید و نوآورانه برای اچینگ بسیار انتخابی و خود محدود شونده قابل استفاده در نانوساخت میکروالکترونیک و مواد دستگاه کوانتومی پشتیبانی شد.
PPPL در حال تسلط بر هنر استفاده از پلاسما – حالت چهارم ماده – برای حل برخی از سخت ترین چالش های علم و فناوری جهان است. تحقیقات ما واقع در پردیس Forrestal دانشگاه پرینستون در Plainsboro، نیوجرسی، به نوآوری در طیف وسیعی از کاربردها، از جمله انرژی همجوشی، تولید در مقیاس نانو، مواد و دستگاه‌های کوانتومی، و علم پایداری دامن می‌زند. این دانشگاه آزمایشگاهی را برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده، که بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در کشور است، اداره می کند. گرما را در https://energy.gov/science و http://www.pppl.gov.
