Des chercheurs du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du ministère américain de l'Énergie ont développé un nouveau modèle théorique expliquant une façon de fabriquer du silicium noir, un matériau important utilisé dans les cellules solaires, les capteurs de lumière, les surfaces antibactériennes et de nombreuses autres applications.
Le silicium noir est produit lorsque la surface du silicium ordinaire est gravée pour produire de minuscules piqûres à l’échelle nanométrique sur la surface. Ces piqûres changent la couleur du silicium du gris au noir et, surtout, captent plus de lumière, une caractéristique essentielle des cellules solaires efficaces.
Bien qu’il existe de nombreuses façons de produire du silicium noir, y compris certaines utilisant le quatrième état chargé de la matière connu sous le nom de plasma, le nouveau modèle se concentre sur un processus qui utilise uniquement du fluor gazeux. Yuri Barsukov, associé de recherche postdoctoral au PPPL, a déclaré que le choix de se concentrer sur le fluor était intentionnel :l'équipe du PPPL souhaitait combler une lacune dans la recherche accessible au public. Alors que certains articles ont été publiés sur le rôle des particules chargées appelées ions dans la production de silicium noir, peu de choses ont été publiées sur le rôle des substances neutres, telles que le fluor gazeux.
"Nous connaissons maintenant – avec une grande précision – les mécanismes qui provoquent la formation de ces piqûres lorsque du fluor gazeux est utilisé", a déclaré Barsukov, l'un des auteurs d'un nouvel article sur ces travaux, paru dans le Journal of Vacuum Science &Technologie A .
"Ce type d'informations, publiées publiquement et librement accessibles, profite à nous tous, que nous approfondissions nos connaissances sur les connaissances de base qui sous-tendent de tels processus ou que nous cherchions à améliorer les processus de fabrication", a ajouté Barsukov.
Le nouveau modèle de gravure explique précisément comment le fluor gazeux brise certaines liaisons dans le silicium plus souvent que d'autres, en fonction de l'orientation de la liaison à la surface. Le silicium étant un matériau cristallin, les atomes se lient selon un motif rigide. Ces liaisons peuvent être caractérisées en fonction de la façon dont elles sont orientées dans le motif, chaque type d'orientation, ou plan, étant identifié par un numéro entre parenthèses, tel que [100], [110] ou [111].
"Si vous gravez du silicium à l'aide de fluor gazeux, la gravure se déroule le long des plans cristallins [100] et [110] mais ne grave pas [111], ce qui entraîne une surface rugueuse après la gravure", a expliqué Barsukov. À mesure que le gaz attaque le silicium de manière inégale, des piqûres se forment à la surface du silicium. Plus la surface est rugueuse, plus elle peut absorber de lumière, ce qui rend le silicium noir rugueux idéal pour les cellules solaires. Le silicium lisse, en revanche, est une surface idéale pour créer les motifs à l'échelle atomique nécessaires aux puces informatiques.
"Si vous souhaitez graver le silicium tout en laissant une surface lisse, vous devez utiliser un autre réactif que le fluor. Ce doit être un réactif qui grave uniformément tous les plans cristallins", a déclaré Barsukov.
La recherche est également remarquable car elle représente un premier succès dans l'un des domaines de recherche les plus récents de PPPL.
"Le laboratoire se diversifie", a déclaré Igor Kaganovich, physicien de recherche principal et co-auteur de l'article. "C'est une première pour PPPL de réaliser ce genre de travail de chimie quantique."
La chimie quantique est une branche de la science qui étudie la structure et la réactivité des molécules en utilisant la mécanique quantique, les lois de la physique régissant les objets très petits et très légers, tels que les électrons et les noyaux.
Parmi les autres chercheurs qui ont contribué à l'article figurent Joseph Vella, physicien de recherche associé ; Sierra Jubin, étudiante diplômée à l'Université de Princeton; et ancien assistant de recherche au PPPL Omesh Dhar Dwivedi.
Plus d'informations : Omesh Dhar Dwivedi et al, Gravure du silicium dépendante de l'orientation par des molécules de fluor :étude informatique de chimie quantique, Journal of Vacuum Science &Technology A (2023). DOI :10.1116/6.0002841
Fourni par le laboratoire de physique des plasmas de Princeton
