Micrographie électronique à transmission d'une coupe transversale d'une bicouche aluminium-silicium pendant le recuit. L'image montre que le silicium s'écoule dans les espaces entre les cristaux d'aluminium adjacents (rouge :silicium; bleu :aluminium) déjà à la basse température de 120 degrés Celsius. © Max Planck Institute for Intelligent Systems (anciennement Max Planck Institute for Metals Research)
(PhysOrg.com) -- Les nanofils semi-conducteurs sont des matériaux essentiels dans le développement de cellules solaires moins chères et plus efficaces, ainsi que des batteries avec une capacité de stockage plus élevée. De plus, ce sont des éléments constitutifs importants de la nanoélectronique. Cependant, fabriquer des nanofils semi-conducteurs à l'échelle industrielle est très coûteux. La principale raison en est les températures élevées auxquelles ils sont produits (600−900 C), ainsi que l'utilisation de catalyseurs coûteux, comme l'or. Des scientifiques de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart, anciennement l'Institut Max Planck pour la recherche sur les métaux, ont maintenant pu produire des nanofils semi-conducteurs cristallins à une température beaucoup plus basse (150 C) tout en utilisant des catalyseurs peu coûteux, comme l'aluminium. De cette façon, les semi-conducteurs nanostructurés peuvent même être déposés directement sur des substrats plastiques thermosensibles.
Les nanofils constitués de semi-conducteurs tels que le silicium (Si) ou le germanium (Ge) seront indispensables pour de nombreuses applications techniques à l'avenir. Jusqu'à maintenant, ils ont été fabriqués à l'aide d'un procédé qui a été décrit pour la première fois en 1964. Le mécanisme dit vapeur-liquide-solide (VLS) utilise de minuscules particules de catalyseurs métalliques comme germes pour la croissance des nanofils. Les germes métalliques sont déposés sur un substrat solide, fondu et exposé à une atmosphère gazeuse contenant du silicium ou du germanium. Les gouttelettes métalliques vont alors absorber les atomes semi-conducteurs du gaz jusqu'à ce qu'ils soient sursaturés, et le matériau semi-conducteur en excès précipite à la frontière avec le substrat :un nanofil croît. Dans la plupart des cas, l'or est utilisé comme catalyseur, car il peut dissoudre beaucoup de silicium ou de germanium lorsqu'il est fondu. L'utilisation de ce catalyseur coûteux et la température de traitement élevée de 600 à 900 ºCelsius plomb, cependant, à des coûts de production élevés.
Les scientifiques des matériaux du département d'Eric Mittemeijer à l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents ont maintenant découvert une méthode pour produire des nanofils semi-conducteurs à une température étonnamment basse de seulement 150 ° C, tout en utilisant des catalyseurs bon marché comme l'aluminium. Avec des collègues du Centre de microscopie électronique de Stuttgart, un centre de recherche dans le même institut, les scientifiques ont réussi à observer la croissance des nanofils à l'échelle atomique en temps réel.
À cette fin, les scientifiques ont préparé une bicouche d'aluminium cristallin et de silicium amorphe. La couche a été réalisée sous vide et à température ambiante par évaporation thermique. Alors que les atomes sont désordonnés dans la phase de silicium amorphe, ils sont disposés en un réseau cristallin ordonné dans la couche d'aluminium. En réalité, la couche d'Al est constituée de milliards de minuscules cristaux d'aluminium, chacun d'eux d'une taille aussi petite qu'environ 50 nanomètres. Les grains de cristal sont en contact étroit les uns avec les autres. Leurs frontières forment ainsi un réseau bidimensionnel de frontières de grains au sein de la couche d'aluminium.
Micrographie électronique à transmission (vue en plan) montrant la formation d'une structure de nanofils de silicium le long des frontières entre les cristaux d'aluminium adjacents à 170 °Celsius (rouge :silicium; bleu/vert :aluminium). À droite :image au microscope électronique à balayage (à un angle d'inclinaison de 30 degrés) qui montre le motif des nanofils de silicium après élimination de l'aluminium par gravure chimique. © Croissance catalysée par un métal de nanostructures semi-conductrices sans contraintes de solubilité et de diffusivité
En utilisant la microscopie électronique à transmission analytique, les scientifiques ont pu observer directement que les atomes de silicium commencent à s'écouler de la couche de silicium dans le catalyseur en aluminium à une température aussi basse que 120 °Celsius. A des températures aussi basses, le catalyseur d'aluminium est solide et ne peut dissoudre aucun atome de silicium. Des investigations microscopiques révèlent que les atomes de silicium sont plutôt logés aux frontières entre les cristaux d'aluminium. Comme de plus en plus d'atomes de silicium se rassemblent aux joints de grains d'aluminium, ils sont restructurés en minuscules nanofils cristallins, car cela réduit l'énergie totale du système. Cela produit un réseau de nanofils cristallins, dont le motif est précisément déterminé par le réseau de joints de grains d'aluminium. Des fils aussi fins que 15 nanomètres peuvent ainsi être réalisés.
Il est clair que le mécanisme de croissance des nanofils découvert par les scientifiques des matériaux à Stuttgart est fondamentalement différent du mécanisme de croissance VLS conventionnel. Le plus frappant, la nouvelle méthode de croissance ne nécessite pas de solubilité des semi-conducteurs dans le catalyseur métallique et peut donc être réalisée à basse température (150 °Celsius), tout en utilisant des catalyseurs bon marché comme l'aluminium.
Les principaux avantages de la nouvelle méthode sont donc qu'elle ne nécessite pas de températures de substrat élevées ni de catalyseurs coûteux. En outre, les scientifiques des matériaux peuvent adapter la taille des grains d'aluminium et ainsi la forme du réseau de limites des grains d'aluminium, pour produire le motif souhaité de nanofils de silicium. Le catalyseur Al peut être facilement éliminé par gravure sélective. Les films d'aluminium étant utilisés en microélectronique depuis des décennies, leur production et leur transformation sont largement établies. D'autres catalyseurs peuvent également convenir au procédé. Un autre avantage est que les dispositifs en silicium nanostructuré peuvent être développés directement sur la plupart des substrats en plastique, même s'ils sont sensibles à la chaleur.
