Une étude publiée dans Nanoscale démontre que le Zn₃ de haute qualité P₂ les cristaux, exempts de défauts d'interface, peuvent être fabriqués avec une approche à l'échelle nanométrique. Elle consiste à utiliser l'épitaxie sélective de surface pour faire croître des nanofils de Zn₃ P₂ , un matériau d'intérêt pour une application dans les cellules solaires et photovoltaïques. Ce travail, coordonné par le professeur Jordi Arbiol, chef de groupe ICREA de l'ICN2, utilise également des techniques de microscopie de pointe et des simulations 3D pour étudier en profondeur la formation de structures orientées différemment dans les nanofils.

Phosphure de zinc (Zn₃ P₂ ) est un semi-conducteur dont les propriétés, notamment l'abondance de ses composants sur Terre, une bande interdite directe et une capacité élevée à absorber la lumière dans le domaine visible, en font un candidat attractif pour une utilisation dans les cellules solaires en tant qu'absorbeur, c'est-à-dire la couche qui produit des porteurs de charge libres à la suite de l'absorption de la lumière. Cependant, les études approfondies à ce sujet sont limitées en raison des difficultés liées à la fabrication de matériaux de haute qualité. En particulier, les cristaux de Zn₃ P₂ sont produits par croissance épitaxiale sur un substrat, mais les caractéristiques structurelles de ce matériau rendent difficile la croissance de masses étendues de celui-ci sans encourir de défauts, ce qui peut nuire à ses performances.

L'étude utilise une stratégie de fabrication de nanostructures pour produire des nanofils de Zn₃ P₂ avec des contraintes élastiques réduites, ce qui se traduit par beaucoup moins de défauts à l'interface avec le substrat. En plus de prouver que cette approche est favorable, les travaux utilisent également des techniques avancées de microscopie, d'imagerie et de simulation pour analyser le processus de croissance jusqu'au niveau atomique et pour étudier les caractéristiques et l'influence d'autres types d'irrégularités apparaissant dans les nanofils développés. Cette recherche a été coordonnée par ICREA Prof. Jordi Arbiol, chef du groupe ICN2 Advanced Electron Nanoscopy, et Prof. Anna Fontcuberta i Morral, de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Suisse); Les premiers auteurs de l'article sont le Dr Maria Chiara Spadaro, chercheuse postdoctorale dans le groupe du Prof. Arbiol, et le Dr Simon Escobar Steinvall, précédemment à l'EPFL et actuellement chercheur postdoctoral à l'Université de Lund (Suède).

Les chercheurs ont cultivé du Zn₃ P₂ des nanofils sur un substrat de phosphure d'indium (InP) par épitaxie sélective (SAE), une technique dans laquelle un masque est utilisé pour limiter la croissance à des ouvertures spécifiquement conçues et des directions souhaitées. La faible surface de contact entre les deux matériaux et l'utilisation d'un masque ont permis la fabrication de nanofils sans dislocations inadaptées à l'interface, c'est-à-dire sans défauts liés à l'interface. En particulier, deux orientations cristallines ont été choisies pour faire croître les nanofils, à 45 degrés l'une par rapport à l'autre, et toutes deux présentaient la même qualité élevée.

Il existe cependant d'autres défauts qui peuvent apparaître au cours du processus de fabrication - même en utilisant cette approche à l'échelle nanométrique - et qui sont en fait plus difficiles à surveiller et à contrôler. En fait, les auteurs de cette étude ont observé la formation de domaines en rotation dans le matériau développé, ce qui signifie qu'il y a des parties dans toute la structure qui présentent une orientation cristalline différente par rapport au reste. Afin d'analyser en détail ce phénomène et son impact sur la qualité du Zn₃ P₂ nanofils, les auteurs de cette étude ont utilisé des techniques de pointe (imagerie par microscopie électronique à transmission à balayage annulaire à champ noir à angle élevé corrigée de l'aberration de résolution atomique, ou AC-HAADF STEM) pour collecter des informations structurelles sur le matériau jusqu'au niveau atomique . Ils ont également utilisé les données collectées pour créer des modèles atomiques 3D fiables effectuant une simulation d'image HAADF-STEM, afin d'obtenir un aperçu plus approfondi du processus de croissance.

Ils ont observé des domaines tournés de 120 degrés dans les deux types de nanofils (d'orientation cristalline de 0 degré et 45 degrés), dont les interfaces sont cependant très nettes. Aucune liaison pendante ou état électronique intermédiaire ne se forme à l'interface tournée. Ils ont expliqué ce phénomène à la suite de la croissance simultanée et indépendante de cristaux d'orientations différentes dans des parties séparées des ouvertures du masque. Au fur et à mesure que la croissance se poursuit, toutes les parties fusionnent dans une structure unique et la dominante intègre complètement les autres. Deux animations ont été réalisées pour illustrer ce processus dans les deux types de nanofils ; ils sont disponibles ici (orientation 0 degré) et ici (orientation 45 degrés).

Cette étude démontre que l'approche à l'échelle nanométrique basée sur l'épitaxie sélective de zones garantit la fabrication de Zn₃ de meilleure qualité P₂ cristaux, c'est-à-dire sa croissance sans défauts à l'interface. Il prouve également les capacités des techniques avancées de microscopie et d'imagerie (en particulier, l'AC HAADF-STEM mentionné ci-dessus) et la modélisation atomique 3D et les simulations d'images pour comprendre pleinement la formation de défauts et leur impact sur les nouveaux matériaux. + Explorer plus loin

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