氟气体将硅的表面蚀刻成一系列棱角分明的尖峰，当用高倍显微镜观察时，看起来很像上面这位艺术家概念图中的金字塔图案。PPPL的研究人员现在已经模拟了这些峰是如何在硅中形成的，从而创造了一种高度吸收光的材料。来源:SciTechDaily.com
PPPL研究人员的一个新模型解释了使用氟气体生产黑硅，增强了其在太阳能电池中的应用，并标志着量子化学研究的新方向。
美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员开发了一种新的理论模型，解释了制造黑硅的一种方法。黑硅是一种用于太阳能电池、光传感器、抗菌表面和许多其他应用的重要材料。
黑硅是在普通硅的表面蚀刻出微小的纳米级凹坑后制成的。这些凹坑将硅的颜色从灰色变成黑色，关键的是，可以捕获更多的光，这是高效太阳能电池的基本特征。
虽然有很多方法可以制造黑硅，包括一些使用带电的第四态物质等离子体(见下面的视频)，但新模型的重点是一个只使用氟气体的过程。PPPL博士后研究助理Yuri Barsukov说，选择专注于氟是有意的:PPPL的团队想要填补公开研究的空白。虽然已经发表了一些关于被称为离子的带电粒子在黑硅生产中的作用的论文，但关于中性物质(如氟气体)的作用的论文却不多。
“我们现在非常明确地知道，当使用氟气体时，导致这些坑形成的机制，”Barsukov说，他是一篇关于这项工作的新论文的作者之一。“这种公开发布的信息对我们所有人都有好处，无论我们是追求进一步了解强调这些过程的基础知识，还是寻求改进制造过程。”
模特露臀打破僵局基于表面的原子方向
新的蚀刻模型精确地解释了氟气体如何比其他气体更频繁地破坏硅中的某些键，这取决于表面键的方向。由于硅是一种晶体材料，原子以刚性模式结合。这些键可以根据它们在图案中的取向方式来表征，每种类型的取向或平面由括号内的数字标识，例如(100)、(110)或(111)。
PPPL博士后研究员Yuri Barsukov。来源:Michael Livingston, PPPL
“如果你用氟气体蚀刻硅，蚀刻沿着(100)和(110)晶体平面进行，但不蚀刻(111)，导致蚀刻后表面粗糙，”Barsukov解释说。当气体不均匀地腐蚀硅时，硅表面就会产生凹坑。表面越粗糙，它能吸收的光就越多，这使得粗糙的黑硅成为太阳能电池的理想材料。相比之下，光滑的硅是制造计算机芯片所需的原子尺度图案的理想表面。
“如果你想在蚀刻硅的同时留下光滑的表面，你应该使用另一种反应物而不是氟。它应该是一种能均匀蚀刻所有晶体平面的反应物，”Barsukov说。
PPPL将其专业知识扩展到量子化学
这项研究也值得注意，因为它代表了PPPL最新研究领域之一的早期成功。
“实验室正在多样化，”发表在《真空科学与技术杂志》(Journal of Vacuum Science & Technology a)上的论文的首席研究物理学家、合著者伊戈尔·卡加诺维奇(Igor Kaganovich)说，“这是PPPL首次进行这种量子化学工作。”
参考文献:Omesh Dhar Dwivedi、Yuri Barsukov、Sierra Jubin的《氟分子对硅的取向依赖性蚀刻:量子化学计算研究》;刘建军，2009年8月29日，真空科学与技术，真空表面与膜。DOI: 10.1116/6.0002841
量子化学是利用量子力学研究分子结构和反应性的科学分支:量子力学是控制非常小、非常轻的物体(如电子和原子核)的物理定律。
为这篇论文做出贡献的其他研究人员包括副研究物理学家约瑟夫·维拉;普林斯顿大学研究生塞拉·朱宾(Sierra Jubin);以及PPPL前研究助理Omesh Dhar Dwivedi。
这项研究得到了PPPL实验室指导研究和发展基金的支持，该基金用于与微电子和量子器件材料的纳米制造相关的高选择性和自限性蚀刻的新颖创新工艺。
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