Des chercheurs du groupe 3-D-Photovoltaics d'AMOLF ont utilisé un microscope à force atomique pour imprimer électrochimiquement à l'échelle nanométrique. Cette technique permet d'imprimer des structures pour une nouvelle génération de cellules solaires sur puces. Les chercheurs ont publié leurs résultats aujourd'hui dans la revue en ligne Nanoéchelle .

Les amas de cuivre à la surface de la plaque d'or forment les lettres AMOLF (voir image). Ceux-ci sont invisibles à l'œil nu, parce que les lettres ne mesurent que quelques centaines de nanomètres. Cependant, l'image est clairement visible à travers le microscope utilisé pour écrire les lettres. Marc Aarts, doctorat étudiant dans le groupe 3-D-Photovoltaïque, utilisé ce microscope à force atomique (AFM) pour manipuler les ions de cuivre dissous pour former ces lettres.

Il peut utiliser la technique pour dessiner n'importe quelle forme désirée sur une surface. La technique est adaptée à la production d'une nouvelle génération de cellules solaires nano-architecturées, qui captent la lumière du soleil dans des nanostructures verticales telles que des fils, des cônes ou peut-être même des éléments en forme d'arbre. La chef de groupe, Esther Alarcón, déclare :« Dans les cellules solaires traditionnelles, la lumière tombe sur la couche horizontale la plus élevée ; il s'assombrit à mesure que la profondeur du matériau augmente. Dans les cellules solaires 3D, au lieu de simplement la couche supérieure, tout le volume du matériau est actif. » L'un des défis consiste à développer une nouvelle technique pour produire des nanofils de bas en haut à l'aide de procédés électrochimiques au lieu de les découper dans un plus gros morceau de matériau. C'est précisément ce qu'est Aarts travaille sur.

Dessiner avec du cuivre

Les écoliers peuvent effectuer une simple réaction électrochimique avec une solution bleu clair de sulfate de cuivre dans un verre et deux trombones comme électrodes. Lorsqu'une tension est appliquée aux trombones, dépôts de cuivre sur l'un d'eux.

La même chose se produit à l'échelle nanométrique dans l'AFM. Une petite aiguille de platine, 50 nanomètres de diamètre, se déplace sur une surface comme l'aiguille d'un tourne-disque se déplaçant sur un disque. Dans cette expérience, cette astuce agit comme un trombone, et une petite plaque d'or (ou la puce) sur laquelle la structure est dessinée fait office d'autre trombone. L'ensemble de l'installation est suspendu dans une solution de sulfate de cuivre. Lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes, des dépôts de cuivre précisément là où se trouve la pointe sur la surface de l'or. Si la pointe est déplacée, puis le cuivre se dépose un peu plus haut. Avec cette approche, un motif peut être tracé électrochimiquement sur une puce à l'aide d'un AFM.

Couche double

Il est vite devenu évident que le processus électrochimique à l'échelle nanométrique ne se déroulait pas de la même manière qu'à l'échelle de la table de cuisine. Par exemple, à sa surprise, Aarts a constaté que davantage de cuivre se déposait à la surface à des concentrations plus faibles de la solution de sulfate de cuivre. A des concentrations élevées, il était impossible d'écrire.

Cependant, taper sur la surface avec la pointe AFM a bien fonctionné. C'était nécessaire car sans ce tapotement, aucun cuivre ne s'est formé. Un processus fondamental sous-tend cela, Aarts explique. "Une couche avec la charge opposée se forme toujours autour d'une électrode chargée. Cette "double couche" se forme également autour de notre pointe AFM et de l'électrode en or, et cela empêche la réaction du cuivre d'avoir lieu. C'est surprenant, car à l'échelle de la table de cuisine, la double couche est ce qui facilite la réaction. En tapotant la pointe sur la surface, la double couche est cassée, ce qui permet à la réaction d'avoir lieu localement.

Aarts est satisfait de la production réussie de motifs 3D à l'aide d'un AFM et d'une réaction électrochimique. L'effet de concentration et la nécessité de puiser n'ont jamais été observés auparavant, dit le chercheur. "La double couche est l'un des phénomènes les plus importants en électrochimie, mais nous ne le comprenons pas encore tout à fait. Cette connaissance pourrait être importante pour le développement de batteries améliorées ou d'électrocatalyse. »

Les structures qu'Aarts dessine actuellement ont une taille d'environ 50 nanomètres, car c'est la dimension de la pointe de l'AFM. Cependant, plus petit serait mieux. "Nous pensons que nous pourrions facilement utiliser une pointe plus petite pour dessiner des structures encore plus petites."

Le rêve des chercheurs est de produire des cellules solaires grâce à cette technique. Cela exigera que les structures soient plus hautes. « Augmenter la hauteur de manière contrôlée est encore difficile, " dit Aarts, et les chercheurs y travaillent. Finalement, la production de cellule solaire nécessitera des structures construites à partir de plusieurs matériaux, comme le gallium et l'arséniure, qui combinés forment les meilleures cellules solaires. "Avec l'électrochimie, nous pouvons facilement appliquer les matériaux simultanément ou en séquence. Au sein du groupe, nous étudions également ces processus, et nous espérons combiner tout cela à l'avenir."