Pour la première fois, une équipe du HZB a identifié la sous-structure atomique du silicium amorphe avec une résolution de 0,8 nanomètre en utilisant la diffusion des rayons X et des neutrons à BESSY II et BER II. De telles couches minces d'a-Si:H sont utilisées depuis des décennies dans les cellules solaires, écrans TFT, et détecteurs. Les résultats montrent que trois phases différentes se forment au sein de la matrice amorphe, ce qui influence considérablement la qualité et la durée de vie de la couche semi-conductrice.

Le silicium n'a pas besoin d'être cristallin, mais peut également être produit sous la forme d'un film mince amorphe. Dans ces films amorphes, la structure atomique est désordonnée comme dans un liquide ou un verre. Si de l'hydrogène supplémentaire est incorporé lors de la fabrication de ces couches minces, des couches dites a-Si:H sont formées. "De tels films minces a-Si:H sont connus depuis des décennies et sont utilisés pour diverses applications, par exemple comme couches de contact dans des cellules solaires tandem record du monde faites de pérovskite et de silicium, récemment développé par HZB, " explique le professeur Klaus Lips du HZB. " Avec cette étude, nous montrons que le a-Si:H n'est en aucun cas un matériau amorphe de manière homogène. La matrice amorphe est entrecoupée de zones de taille nanométrique de densité locale variable, des cavités aux zones d'ordre extrêmement élevé, " commente le physicien.

En coopération avec les universités techniques d'Eindhoven et de Delft, Lips et son équipe ont réussi pour la première fois à observer expérimentalement et à mesurer quantitativement ces inhomogénéités dans des films minces a-Si:H produits différemment. Pour faire ça, ils ont combiné les résultats de méthodes analytiques complémentaires pour former une image globale.

"Nous retrouvons un ordre nanoscopique dans le désordre des couches a-Si:H par des mesures de diffusion des rayons X effectuées à BESSY II. Nous avons alors pu déterminer la répartition des atomes d'hydrogène dans le réseau amorphe par diffusion neutronique à l'ancien réacteur de recherche BER II sur le site HZB de Wannsee, " dit Eike Gericke, doctorat étudiant et premier auteur de l'article. D'autres informations ont été fournies par la microscopie électronique réalisée au CCMS Corelab et les mesures de la résonance de spin électronique (ESR).

"Nous avons pu découvrir des vides de taille nanométrique, qui sont créés par un peu plus de 10 atomes manquants. Ces vides s'organisent en amas avec une distance récurrente d'environ 1,6 nanomètres les uns par rapport aux autres, " explique Gericke. Ces vides se retrouvent en concentrations accrues lorsque la couche a-Si:H s'est déposée à une vitesse très élevée.

Les chercheurs ont également trouvé des régions de taille nanométrique avec un ordre plus élevé par rapport au matériau désordonné environnant. Ces domaines densément ordonnés (DOD) ne contiennent pratiquement pas d'hydrogène. "Les DOD forment des agrégats allant jusqu'à 15 nanomètres de diamètre et se retrouvent dans tous les matériaux a-Si:H considérés ici, " explique Gericke.

"Les régions DOD ont été théoriquement prédites en 2012 et sont capables de réduire les contraintes mécaniques dans le matériau et ainsi de contribuer à la stabilité du film mince a-Si:H. Les vides en revanche, peut favoriser la dégradation électronique des couches semi-conductrices comme indiqué par les mesures ESR, " dit Klaus Lips.

Une optimisation ciblée des procédés de fabrication au regard des sous-structures aujourd'hui découvertes pourrait permettre de nouvelles applications telles que les guides d'ondes optiques pour les systèmes photoniques programmables ou une future technologie de batterie au silicium. Enfin et surtout, les résultats aideront également à démêler enfin le mécanisme microscopique de la dégradation induite par la lumière des cellules solaires a-Si:H, l'une des énigmes que la communauté scientifique tente de résoudre depuis plus de 40 ans.