Orden en el desorden: se han descubierto fluctuaciones de densidad en el silicio amorfo
Un nuevo estudio muestra que se forman tres fases diferentes dentro de la matriz amorfa, lo que influye en la calidad y la vida útil de la capa de semiconductores
Por primera vez, un equipo del HZB ha identificado la subestructura atómica del silicio amorfo con una resolución de 0,8 nanómetros utilizando rayos X y dispersión de neutrones en BESSY II y BER II. Tales películas delgadas de a-Si:H se han usado durante décadas en células solares, pantallas TFT y detectores. Los resultados muestran que se forman tres fases diferentes dentro de la matriz amorfa, lo que influye dramáticamente en la calidad y la vida útil de la capa de semiconductores.
Modelo estructural de a-Si:H altamente poroso, que se depositó muy rápidamente, calculado en base a datos de medición. Los dominios densamente ordenados (DOD) se dibujan en azul y las cavidades en rojo. La capa gris representa la matriz desordenada de a-Si:H. Las secciones redondas muestran las nanoestructuras ampliadas a resolución atómica (abajo, átomos de Si: gris, átomos de Si en las superficies de las cavidad rojo; H: blanco)
© Eike Gericke/HZB
El silicio no tiene que ser cristalino, pero también puede ser producido como una película fina amorfa. En tales películas amorfas, la estructura atómica está desordenada como en un líquido o un vidrio. Si se incorpora hidrógeno adicional durante la producción de estas delgadas capas, se forman las llamadas capas a-Si:H. "Tales películas delgadas de a-Si:H se conocen desde hace décadas y se utilizan para diversas aplicaciones, por ejemplo como capas de contacto en las células solares en tándem de récord mundial hechas de perovskita y silicio, recientemente desarrolladas por el HZB" explica el Prof. Klaus Lips del HZB. "Con este estudio, mostramos que el a-Si:H no es de ninguna manera un material homogéneamente amorfo. La matriz amorfa está intercalada con áreas de tamaño nanométrico de densidad local variable, desde cavidades hasta áreas de orden extremadamente alto", comenta el físico.
El orden en la nanoescala
En cooperación con las Universidades Técnicas de Eindhoven y Delft, Lips y su equipo han logrado por primera vez observar experimentalmente y medir cuantitativamente estas inhomogeneidades en películas delgadas de a-Si:H producidas de manera diferente. Para ello, combinaron los resultados de métodos analíticos complementarios para formar una imagen global.
Los experimentos en BESSY II, BER II y Corelabs
"Encontramos un orden nanoscópico en el desorden de las capas a-Si:H por las mediciones de dispersión de rayos X realizadas en el BESSY II. Luego pudimos determinar la distribución de los átomos de hidrógeno en la red amorfa por dispersión de neutrones en el antiguo reactor de investigación BER II en el sitio HZB de Wannsee", dice Eike Gericke, estudiante de doctorado y primer autor del trabajo. Otras ideas fueron proporcionadas por la microscopía electrónica realizada en el CCMS Corelab y las mediciones de la resonancia de espín electrónico (ESR).
Cúmulos de vacíos
"Pudimos descubrir vacíos de tamaño nanométrico, que son creados por poco más de 10 átomos perdidos. Estos vacíos se organizan en grupos con una distancia recurrente de unos 1,6 nanómetros entre sí", explica Gericke. Estos vacíos se encuentran en mayores concentraciones cuando la capa a-Si:H se ha depositado a una tasa muy alta.
Islas de orden superior
Los investigadores también encontraron regiones de tamaño nanométrico de mayor orden en comparación con el material desordenado circundante. Estos dominios densamente ordenados (DOD) apenas contienen hidrógeno. "Los DOD forman agregados de hasta 15 nanómetros de diámetro y se encuentran en todos los materiales de a-Si:H considerados aquí", explica Gericke.
"Las regiones DOD han sido teóricamente predichas en 2012* y son capaces de reducir el estrés mecánico en el material y así contribuir a la estabilidad de la fina película de a-Si:H. Los vacíos, por otra parte, pueden promover la degradación electrónica de las capas de semiconductores como se indica en las mediciones de ESR", dice Klaus Lips.
Nuevas aplicaciones a la vista
La optimización dirigida de los procesos de fabricación con respecto a las subestructuras ahora descubiertas podría permitir nuevas aplicaciones como guías de ondas ópticas para sistemas fotónicos programables o una futura tecnología de baterías de silicio. Por último, pero no por ello menos importante, los hallazgos también ayudarán a desentrañar finalmente el mecanismo microscópico de la degradación inducida por la luz de las células solares a-Si:H, uno de los enigmas que la comunidad científica está tratando de resolver desde hace más de 40 años.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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