Une minuscule puce de silicium - le carré orange brillant au centre de ce dispositif de chauffage spécial - est chauffée à une température bien inférieure au point de fusion du silicium, puis refroidit très lentement. La puce à l'intérieur de ce dispositif de chauffage a été placée sur le trajet d'un faisceau synchrotron pour sonder ses changements au niveau moléculaire au cours du processus de fusion rétrograde. Crédit photo :Patrick Gillouly
Comme un glaçon par une chaude journée, la plupart des matériaux fondent, c'est-à-dire passer d'un état solide à un état liquide - à mesure qu'ils se réchauffent. Mais quelques matériaux bizarres font l'inverse :ils fondent à mesure qu'ils refroidissent. Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT a découvert que le silicium, le matériau le plus largement utilisé pour les puces informatiques et les cellules solaires, peut présenter cette étrange propriété de "fusion rétrograde" lorsqu'elle contient de fortes concentrations de certains métaux dissous en elle.
Le matériel, un composé de silicium, le cuivre, nickel et fer, "fond" (passant en fait d'un solide à un mélange de matière solide et liquide ressemblant à de la neige fondue) lorsqu'il se refroidit en dessous de 900 degrés Celsius, alors que le silicium fond ordinairement à 1414 degrés C. Les températures beaucoup plus basses permettent d'observer le comportement du matériau lors de la fusion, basé sur une technologie spécialisée de microsonde à fluorescence X utilisant un synchrotron - un type d'accélérateur de particules - comme source.
Le matériau et ses propriétés sont décrits dans un article qui vient d'être publié en ligne dans la revue Matériaux avancés. Chef d'équipe Tonio Buonassisi, le professeur assistant SMA en génie mécanique et fabrication, est l'auteur principal, et les auteurs principaux sont Steve Hudelson MS '09, et boursière postdoctorale Bonna Newman PhD ’08.
Les résultats pourraient être utiles pour réduire le coût de fabrication de certains dispositifs à base de silicium, en particulier ceux dans lesquels de minuscules quantités d'impuretés peuvent réduire considérablement les performances. Dans le matériel que Buonassisi et ses chercheurs ont étudié, les impuretés ont tendance à migrer vers la partie liquide, laissant derrière eux des régions de silicium plus pur. Cela pourrait permettre de réaliser certains dispositifs à base de silicium, comme les cellules solaires, en utilisant un moins pur, et donc moins cher, qualité de silicium qui serait purifié au cours du processus de fabrication.
« Si vous pouvez créer de petites gouttelettes de liquide à l'intérieur d'un bloc de silicium, ils servent comme de petits aspirateurs pour aspirer les impuretés, ", dit Buonassisi. Cette recherche pourrait également conduire à de nouvelles méthodes de fabrication de réseaux de nanofils de silicium, de minuscules tubes hautement conducteurs de chaleur et d'électricité.
Buonassisi a prédit dans un article de 2007 qu'il devrait être possible d'induire une fusion rétrograde du silicium, mais les conditions nécessaires pour produire un tel état, et de l'étudier à un niveau microscopique, sont hautement spécialisés et ne sont disponibles que récemment. Pour créer les bonnes conditions, Buonassisi et son équipe ont dû adapter un microscope « étage chaud » qui a permis aux chercheurs de contrôler avec précision la vitesse de chauffage et de refroidissement. Et pour observer réellement ce qui se passait pendant que le matériau était chauffé et refroidi, ils se sont appuyés sur des sources de rayons X de haute puissance à base de synchrotron au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie et au Argonne National Laboratory dans l'Illinois (les chercheurs des deux laboratoires nationaux sont co-auteurs de l'article).
Une plaquette de silicium, qui est le matériau le plus largement utilisé pour les puces informatiques et les cellules solaires. Crédit photo :Patrick Gillouly
La recherche a été soutenue par le département américain de l'Énergie, la Fondation nationale des sciences, la Fondation Clare Booth Luce, Doug Spreng et la Fondation de la famille Chesonis, et certains équipements ont été fournis par McCrone Scientific.
Le matériau des tests consistait en une sorte de sandwich composé de deux fines couches de silicium, avec un remplissage de cuivre, le nickel et le fer entre eux. Celui-ci a d'abord été suffisamment chauffé pour que les métaux se dissolvent dans le silicium, mais en dessous du point de fusion du silicium. La quantité de métal était telle que le silicium est devenu sursaturé, c'est-à-dire plus de métal a été dissous dans le silicium que ce qui serait normalement possible dans des conditions stables. Par exemple, lorsqu'un liquide est chauffé, il peut dissoudre plus d'un autre matériau, mais une fois refroidi, il peut devenir sursaturé, jusqu'à ce que l'excès de matière précipite.
Dans ce cas, où les métaux ont été dissous dans le silicium solide, « si vous commencez à le refroidir, vous atteignez un point où vous induisez des précipitations, et il n'a d'autre choix que de précipiter en phase liquide, ", dit Buonassisi. C'est à ce moment que le matériau fond.
Matthias Heuer, chercheur principal à Calisolar, une startup de l'énergie solaire, dit que ce travail est « unique et nouveau dans notre domaine, " et cela " permet de très bons aperçus de la façon dont les métaux de transition et les défauts structurels interagissent. " Mais il ajoute qu'il y a encore un certain nombre de questions sans réponse dans la recherche de suivi :« Maintenant que nous savons que des inclusions liquides peuvent se former, La question est, à quel point sont-ils efficaces en tant que puits pour les impuretés ? À quel point sont-ils stables ? Peuvent-ils garder les impuretés localisées au cours d'autres étapes du processus - par exemple, pendant le processus de cuisson final d'une cellule solaire ? »
