In un articolo pubblicato su energieI ricercatori hanno presentato un nuovo approccio per migliorare le proprietà fotovoltaiche del silicio (Si), inclusa la conduttività ottica e il bandgap, applicando la tecnologia DUPNF (Direct Ultrafast Pulsed Nanoforming).
Stallo: Sintesi di strutture 3D di una nano-rete tramite la tecnica di modellatura della nanostruttura pulsata diretta ultraveloceCredito di immagine: asharkyu/Shutterstock.com
Le nanostrutture tridimensionali di Si sono state generate variando la potenza e la frequenza degli impulsi laser a picosecondi ad alta intensità. Le proprietà ottiche delle nanostrutture 3D Si sono state studiate mediante spettroscopia ottica nel vicino infrarosso (NIR) e nelle regioni del visibile (VIS).
Le tecniche di imaging a raggi X a dispersione di energia (EDX) e di microscopia elettronica a scansione (SEM) hanno analizzato le proprietà strutturali delle strutture di Si. La variazione della frequenza e dell’energia di elaborazione laser ha portato a un cambiamento nelle proprietà strutturali e di bandgap delle strutture di nanonetwork 3D Si.
Lo sviluppo di strutture di nanonetwork 3D Si e la modifica delle loro proprietà era visibile con l’aumento della frequenza e della potenza degli impulsi laser. Rispetto al silicio sfuso, il campo critico di rottura delle strutture di Si era più significativo.
Vantaggi delle nanostrutture
I nanomateriali hanno guadagnato popolarità grazie ai progressi della tecnologia e della nanoscienza. Le proprietà dei materiali migliorano su scala nanometrica e quando la scala viene ridotta, le dimensioni diminuiscono, consentendo l’utilizzo dei materiali nei dispositivi embedded.
I nanomateriali sono essenziali perché l’attuale tecnologia globale richiede dispositivi più piccoli senza funzionalità ridotta.
Il silicio, uno dei semiconduttori più diffusi, ha molte interessanti applicazioni nell’elettronica, nei sensori, nella produzione di energia e nei sistemi biomedici. Tuttavia, l’uso del silicio in molte applicazioni ad alta energia è limitato dal gap di banda indiretta relativamente basso di 1,12 eV. Il basso campo di guasto critico, a 0,2 MV/cm, funge anche da limitazione nelle sue applicazioni ad alta energia.
Il passaggio ai nanomateriali ha consentito di modificare le proprietà dei materiali. È stato osservato che i nanomateriali hanno caratteristiche uniche che sono incompatibili con i materiali sfusi. La sintesi di nanostrutture 3D Si utilizzando vari metodi, tra cui pirolisi spray, deposizione chimica da vapore, tecnologia sol-gel e deposizione laser, è stata ampiamente studiata e pubblicata da molti scienziati.
Tuttavia, poiché alcune di queste procedure comportano un’installazione e un ambiente di installazione costosi, la ricerca si è spostata verso nuove tecniche di sintesi innovative. È stato dimostrato un approccio unico alla sintesi ecologica ed economica delle strutture di Si negli ambienti ambientali.
Il metodo di modulazione nanopulsata ultraveloce diretta ha introdotto un semplice processo in una fase per creare strutture di Si con proprietà ottiche predeterminate.
Sono stati riportati cambiamenti nelle proprietà delle nanostrutture 3D Si sintetizzate tramite la formazione di nanostrutture pulsate ultraveloci in funzione di parametri laser come potenza e frequenza.
La quantità di energia utilizzata nell’ablazione e la potenza del laser hanno influenzato in modo significativo la formazione delle nanostrutture. Alla fine si è formato uno strato di plasma a causa dell’interazione del laser con il materiale e dell’assorbimento dell’energia del substrato.
L’interazione tra il laser e il materiale è stata controllata da impulsi laser ultracorti, che hanno anche contribuito a ridurre i danni fisici. Gli impulsi ultracorti hanno aiutato la superficie a disintegrarsi in particelle fini che si sono depositate sul campione.
I parametri di potenza e frequenza sono stati variati per determinare gli effetti sull’energia e sulla durata dell’impulso laser.
Sintesi di nanostrutture di Si migliorate
Per l’esperimento sono state utilizzate scaglie di silicio di tipo n (Si-100) spesse venti μm. Per sintetizzare le nanostrutture, il silicio è stato irradiato con una fibra laser pulsata con una durata dell’impulso di 150 hpf e una velocità di scansione di 100 mm/sec quando si applica la tecnica di nanoformatura pulsata ultraveloce diretta.
Variando la potenza e la frequenza del laser (1200, 1000, 800, 600 kHz), sono stati creati quattro campioni, chiamati i gruppi “S” e “A”. I campioni “A” (potenza costante) hanno una frequenza oscillante e una potenza costante di 15 watt.
I campioni “S”, ad energia impulsiva costante, hanno frequenza oscillante e potenza variabile a 10, 13,3, 16,7 e 20 W con potenza continua (110 mJ).
La configurazione sperimentale della tecnica di nanoformatura pulsata ultraveloce diretta consiste in un portacampioni, uno spettrometro, una sorgente luminosa e cavi ottici. Sono stati eseguiti test ottici sui campioni mediante spettrofotometria e sono stati ottenuti ed esaminati gli spettri di riflettanza. Il software SpectraSuite è stato utilizzato per registrare ed esaminare la curva di riflettanza ei dati.
I campioni sono stati prima esaminati tramite SEMl; Il campione S4 conteneva più strutture di nanonetwork 3D. Nella regione in cui è stato utilizzato l’approccio di nanoconfigurazione pulsata ultraveloce diretta, i campioni da S1 a S3 avevano una maggiore luminosità.
Una tendenza simile era presente anche nei campioni A. Da A1 a A4 hanno mostrato che i colori dei campioni sono diventati più chiari e luminosi. Quando esaminata dall’occhio umano senza aiuto, l’area asportata dei campioni S2 e S3 era simile a quella del campione A4.
In generale, i campioni hanno mostrato un aumento del loro bandgap dopo aver applicato la tecnica di nanoformatura pulsata ultraveloce diretta a causa della formazione di più nanofibre che hanno migliorato il bandgap del materiale.
Il numero di sovrapposizioni tra livelli energetici distinti nella struttura a bande del materiale è diminuito con il miglioramento del numero di nanoparticelle prodotte, con conseguente aumento del bandgap del materiale.
La conducibilità ottica dei campioni è stata anche valutata utilizzando le informazioni di riflettanza raccolte mediante spettroscopia. La relazione tra il bandgap di un materiale e l’indice di rifrazione influisce sulla sua fotoconduttività. Di conseguenza, la fotoconduttività è diminuita con l’aumento del gap di banda dei campioni dopo l’applicazione della tecnica di formazione della nanostruttura ultraveloce diretta.
Il nuovo approccio migliora le proprietà ferroelettriche del silicio
In questo documento viene proposto un nuovo approccio all’utilizzo della tecnologia di nanoformatura pulsata ultraveloce per generare strutture 3D Si con proprietà migliorate.
Diverse strutture di nanonetwork 3D Si sono state formate modificando i parametri del laser, tra cui potenza e frequenza. I metodi spettrofotometrici sono stati utilizzati per caratterizzare le strutture di nanonetwork 3D Si. Il bandgap del materiale è stato infine ottimizzato e la variazione della durata dell’impulso e dell’energia dell’impulso è stata utilizzata per misurare la variazione del bandgap.
La relazione tra il bandgap e l’indice di rifrazione è fondamentale per determinare altre proprietà ottiche di un materiale. È stato osservato che con l’allargamento del bandgap, l’indice di rifrazione è diminuito. Sono stati analizzati anche altri parametri ottici e si è scoperto che mentre la costante dielettrica dei campioni aumentava, la conduttività ottica dei campioni diminuiva.
È stato anche calcolato il campo critico di rottura ed è stato ottenuto un campo critico simile all’arseniuro di gallio (GaAs) per i campioni di nanostruttura.
I risultati di questo lavoro contribuiscono a potenziali modi per migliorare le proprietà ferroelettriche dei semiconduttori utilizzando una tecnica di formazione di nanostrutture pulsate semplice, veloce, diretta e ultraveloce.
riferimento
NS Jamwal, A. Kiani, 2022. Sintesi di strutture a nano-reticolo 3D tramite una tecnica di formazione di nanostrutture ultraveloci diretta. energie. https://www.mdpi.com/1996-1073/15/16/6005
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