Mejora del análisis de las superficies de silicio
Los avances en fotovoltaica, por ejemplo
Un nuevo método para analizar superficies rugosas de silicio combina la microscopía de fuerza atómica (AFM) y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS). Esto facilita la corrección de errores causados por la rugosidad de la superficie. El método ofrece resultados más precisos, sobre todo con el silicio negro, una superficie especial de silicio nanoestructurado que se utiliza con frecuencia en fotovoltaica. Estos avances son significativos para la investigación y aplicación de materiales nanoestructurados. El trabajo se publicó en la revista Small Methods.
Diagrama esquemático; amarillo: la luz de rayos X provoca la emisión de fotoelectrones (rojo). El detector registra los fotoelectrones, que proceden del Si o de la capa de óxido de Si, perpendicular a la superficie lisa (izquierda).
Frank Müller, AG Jacobs
La combinación de la microscopía de fuerza atómica (AFM) y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) representa un avance significativo en la caracterización de superficies. La XPS es un método establecido para determinar la composición química de las superficies. Sin embargo, en el caso de superficies rugosas como la silicona negra, el análisis XPS se ve falseado por los diferentes ángulos de emisión de los fotoelectrones (véase la figura), lo que puede dar lugar a una fuerte sobreestimación de los espesores reales de las capas. En la superficie lisa (izquierda) el fotoelectrón se emite perpendicularmente a la superficie y a la capa de óxido, mientras que en la superficie rugosa (derecha) la inclinación de la superficie con respecto al detector provoca un recorrido más largo del fotoelectrón a través del óxido. Por lo tanto, los espectros XPS resultantes están distorsionados en el caso de las superficies rugosas, lo que da lugar a un grosor excesivamente alto de la capa de óxido en el análisis. Para corregir estos errores, el equipo dirigido por la profesora Dra. Karin Jacobs, del Departamento de Física de la Universidad del Sarre, ha desarrollado un método que utiliza mediciones AFM para determinar con precisión la topografía de la superficie e incorporar esta información al análisis de los datos XPS.
Este método es especialmente importante para analizar el silicio negro, una superficie de silicio especial a la que se dota de una superficie nanoestructurada y muy rugosa mediante procesos de grabado selectivo. "Esta rugosidad reduce la reflexión de la luz y aumenta su absorción, lo que hace que el silicio negro sea especialmente interesante para aplicaciones fotovoltaicas", explica el Dr. Frank Müller, experto en XPS del equipo. El nuevo método permite ahora determinar el grosor de la capa de óxido del silicio negro con una precisión sin precedentes.
Los científicos utilizan un nuevo tipo de análisis geométrico de la imagen topográfica de la superficie proporcionada por el AFM. "Los llamados tensores de Minkowski permiten determinar con precisión la inclinación local de la superficie e incorporar esta información del AFM a la evaluación de los espectros XPS", explica el socio colaborador del equipo de Saarbrücken, el Dr. Michael Klatt, físico teórico del Centro Aeroespacial Alemán (DLR) en Ulm y Colonia. "De este modo, se corrigen las distorsiones causadas por la rugosidad de la superficie y se puede determinar con mucha más precisión el espesor de la capa de óxido", explica Jens Uwe Neurohr, que está realizando su doctorado en este campo.
Los resultados del estudio muestran que la capa de óxido del silicio negro es sólo entre un 50 y un 80 por ciento más gruesa que la capa de óxido nativa de una oblea de silicio convencional. Sin la corrección mediante los datos de AFM, se habría determinado un valor de alrededor del 300 por ciento, es decir, una sobreestimación masiva de las condiciones reales.
Esta combinación de métodos es especialmente valiosa para la investigación de materiales, ya que permite una caracterización más precisa de superficies que presentan geometrías complejas debido a la nanoestructuración o la rugosidad. "Sin embargo, esto no sólo es de gran interés para la energía fotovoltaica, sino también para otras aplicaciones en las que la textura de la superficie y las propiedades químicas tienen una importancia crucial", afirma Karin Jacobs sobre la importancia fundamental de estas mejoras. "La determinación precisa del grosor de las capas en superficies nanométricas es un gran reto. Con nuestro nuevo método, ahora podemos superar este reto y obtener resultados más precisos, lo que es especialmente importante para el desarrollo de materiales de alta tecnología", añade Frank Müller.
La investigación se llevó a cabo en el marco del programa prioritario SPP 2265 "Sistemas geométricos aleatorios", financiado por la Fundación Alemana de Investigación (DFG) y el Centro de Investigación Colaborativa SFB 1027, y representa un paso importante en el desarrollo ulterior de las técnicas de análisis de superficies. Estos avances no sólo contribuirán al progreso de la ciencia de materiales, sino también al desarrollo de nuevas tecnologías en áreas como la fotovoltaica, la optoelectrónica y la nanotecnología.
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