Cornelli Ülikooli teadlased töötasid välja uue meetodi valmistamaks tekstuurse pooljuhtmaterjali ühest kristallist koosnevat õhukest kilet, mille abil saaks tulevikus toota efektiivsemaid fotoelemente ja päikesepatareisid.
Tühjad kohad struktuuris täidab sadestatud amorfne räni. Laserkuumutamise abil sulatatakse sadestatud materjal ning ränisubstraadi pealmised kihid kokku. Paari nanosekundi järel struktuur kristalliseerub taas. Substraat käitub peal asetseva materjali suhtes juhtiva kristallina, mistõttu pealmine materjal sama paigutusega kristalliseerub. Sellises seadmes on laengukandjatel lihtsam liikuda, mistõttu saaks tulevikus päikesepatareide ja fotoelementide efektiivsust suurendada. Pilt: Wiesner Lab
Seesuguste rakenduste ülim eesmärk on olnud valmistada substraadile, näiteks räniplaadikesele asetatav nanoskaalas kolmedimensionaalne õhuke kile, mille kristallvõrestik paikneks substraadiga samas suunas. Selle eesmärgi saavutamisega sai pärast aastatepikkust uurimistööd hakkama Ulrich Wiesner, materjaliteaduse ja inseneeria professor Cornelli Ülikoolis, kasutades iseorganiseeruvate nanoskaalas struktuuride valmistamiseks polümeerkeemiat, kirjutab physorg.com.
Teadlased kasutasid uut meetodit tõstetud tekstuuriga õhukese kile valmistamiseks, kus tekstuuri moodustasid kõigest mõne nanomeetrise läbimõõduga pisikesed ‘sambad’.
Kõige rohkem suureneb seadmete efektiivsus, kui juhtivaks materjaliks on üksikud kristallid, selgitas Wiesner. Enamik selliseid kilesid valmistavatest tehnoloogiatest toodavad polükristallilisi materjale – suvaliselt kokkukuhjatud kristalle ehk nn. ‘terakesi’ -, kus terakesed häirivad vabade laengukandjate liikumist. Wiesneri meetod kasutab kopolümeere, millede abil toodetakse poorsed šabloonid, kuhu lisatav materjal saab voolata ning seal kristalliseeruda. Teadlased valmistasid oma šablooni ränikristallist substraadile kuusnurksete pooride asetamisel ning sadestasid amorfsest ränist või nikkelsilitsiidist kiled plaadi peale. Seejärel kuumutati ränipinda ülilühikeste laserimpulsside abil üles, mille tagajärel sulasid sadestatud kile alumine ning räniplaadi ülemine pind kokku. Substraat käitub peal asetseva materjali suhtes juhtiva kristallina, mistõttu pealmine materjal sama paigutusega kristalliseerub. Sellises seadmes on laengukandjatel lihtsam liikuda, mistõttu saaks tulevikus päikesepatareide ja fotoelementide efektiivsust suurendada.
Pärast mõnda aega lahuses hoidmist jääb šabloonina alles hulk kuusnurkseid sambaid, millede läbimõõt on ligi 30 nanomeetrit. Eelnevates töödes on Wiener valmistanud struktuure, kus sammasteks on silindrid, tasandid, sfäärid ning ka kompleksemad kujundid, seda kõike kopolümeeride koostise varieerimise teel.
Sadestada saab ka teisi materjale. Selle konkreetse töö eesmärk oli näidata kile sadestamist, mille koostismaterjal oleks kas sama või erinev mis substraadil.
Lisaks näitasid teadlased et õhukesi kilesid saab panna mikroniskaalas mustritena, mida saaks rakendada näiteks vooluringide koostamisel. See saavutati asetades enne laserkuumutamist pinnale kattekiht.
“Oleme saavutanud ülima eesmärgi,” sõnas Wiesner. ,,See pole lihtsalt nanostrukturiseeritud üksikkristall, vaid see on ka substraadiga epitaksiline. Enam paremat kontrolli pole võimalik saavutada.”
Teadusartikkel “Block Copolymer Self-Assembly–Directed Single-Crystal Homo- and Heteroepitaxial Nanostructures“