Des nanoparticules percent des trous à volonté dans le silicium
Une technique de production de silicium et de verre poreux utilisable industriellement ouvre de nouvelles perspectives pour de nombreuses applications
Une équipe de recherche de Hambourg a mis au point une nouvelle méthode pour produire un réseau de pores de grande taille à très fins dans le silicium et le verre. Grâce à la source de rayons X PETRA III de DESY, les scientifiques dirigés par Stella Gries et Patrick Huber, chercheurs à DESY, ont pu analyser la porosité à l'aide de la tomographie à rayons X. La méthode de production de micro- et nanocanaux est présentée dans la revue Small. La méthode de production de micro- et nanocanaux, que l'équipe présente dans la revue Small, est facile à contrôler, extrêmement variable et fonctionne même pour de grands volumes de matériaux. Elle est donc idéale pour les applications industrielles.
Les nanoparticules d'argent sont capables de percer des nanocanaux dans le silicium macroporeux et donc de porosifier hiérarchiquement le silicium à l'échelle de la plaquette. Le graphique présente le matériau poreux réel combiné à une illustration du processus de porosification, c'est-à-dire l'attaque chimique et donc la formation de pores le long des trajectoires des particules d'argent autopropulsées et à action catalytique sous le développement de bulles d'hydrogène en solution aqueuse.
DESY/TUHH, AG Huber
Dans les réseaux routiers, la méthode est courante : alors que les grandes autoroutes assurent des liaisons rapides pour le trafic longue distance, les petites routes et voies peuvent être utilisées pour atteindre les coins les plus reculés du pays - quoique beaucoup plus lentement. La nature procède souvent de la même manière, par exemple dans les poumons ou les plantes : les bronches ou les réseaux de grands capillaires des feuilles permettent de transporter rapidement l'air ou l'eau dans les tissus, puis les canaux se ramifient et deviennent plus étroits jusqu'à atteindre les minuscules alvéoles ou pores, où se déroulent d'importantes fonctions locales, comme l'apport d'oxygène au sang ou la réalisation de la photosynthèse. Ces structures très efficaces sont connues sous le nom de systèmes poreux hiérarchiques et - étant divisées en grandes et petites unités - elles peuvent prendre en charge une distribution étendue ou des fonctions locales.
L'équipe de recherche dirigée par M. Gries, doctorant au DESY, est maintenant en mesure de produire des cristaux de silicium dotés précisément de tels systèmes poreux hiérarchiques. Pour y parvenir, les scientifiques ont recouvert de nanoparticules d'argent des tranches de silicium déjà traversées par des canaux droits d'un micromètre de diamètre. Les particules de 20 à 60 nanomètres sont déposées à la surface de la plaquette. Les scientifiques ont ensuite exposé les tranches à une solution corrosive d'acide fluorhydrique et de peroxyde d'hydrogène, ce qui a déclenché un processus fascinant et, à première vue, incroyable : les nanoparticules ont pénétré dans le silicium, dissolvant le cristal de silicium sur les surfaces où la particule d'argent était en contact avec le silicium. Comme dans le jeu vidéo Pac-Man, autrefois très populaire, les particules d'argent s'enfoncent de plus en plus dans le solide, laissant derrière elles un fin réseau de tunnels. L'énergie cinétique nécessaire à la propulsion dirigée des particules provient d'une réaction de décomposition chimique, c'est-à-dire de la conversion du peroxyde d'hydrogène en eau et en hydrogène et de la "consommation" du silicium. Les particules d'argent se comportent comme de petits agents Pac-Man autonomes, catalysant la réaction et permettant ainsi leur propre propulsion à travers le cristal de silicium. Le système de tunnels qui en résulte s'auto-organise pour créer la structure poreuse hiérarchique tridimensionnelle souhaitée.
L'équipe de recherche a utilisé un certain nombre de méthodes différentes pour étudier la porosité du silicium. À l'aide d'images tomographiques à rayons X prises à la ligne de faisceau P05 de PETRA III, ils ont pu résoudre la structure interne à l'échelle nanométrique. "Nous constatons que le processus de gravure perfore systématiquement l'ensemble du cristal, créant ainsi des nanopores d'une taille inférieure à 100 nanomètres", explique l'auteur principal, Mme Gries, qui a mis au point cette méthode dans le groupe de Patrick Huber au cours de son mémoire de maîtrise et qui poursuit actuellement ses recherches dans le cadre de son doctorat. "En ajustant la taille des nanoparticules et la durée de la procédure, nous pouvons contrôler précisément la profondeur du système poreux hiérarchique", ajoute Manuel Brinker, membre du groupe qui a contribué à superviser les recherches de Stella Gries. Les expositions plus longues produisent des pores qui pénètrent jusqu'aux canaux principaux parallèles de la tranche de silicium, les reliant les uns aux autres. Pour l'instant, les mécanismes exacts qui conduisent au mouvement des particules, et donc à la formation du réseau de canaux, ne sont que partiellement compris. Parfois, par exemple, les particules se déplacent en spirale, ce qui donne lieu à des nanocanaux en forme de spirale dans le silicium, et parfois elles changent brusquement de direction, ce qui suggère que les particules sont en rotation. Le réseau de pores produit a une structure de type éponge et ne présente donc aucune orientation préférentielle, contrairement aux grands canaux principaux. "Nous pensons que la forme géométrique des nanoparticules d'argent a une forte influence sur la façon dont les particules pénètrent dans le silicium", explique M. Gries.
Dans une étape ultérieure, les scientifiques ont chauffé le silicium perforé à plus de 800 degrés Celsius dans une atmosphère contenant de l'oxygène. Les parois entre les tunnels sont si fines que le silicium a été complètement oxydé pour former du dioxyde de silicium, familièrement connu sous le nom de verre. À la grande surprise des scientifiques, la structure des canaux n'a pas été détruite malgré le réarrangement considérable des atomes et l'expansion des parois lors de l'incorporation de l'oxygène. Cela signifie que la structure à pores ouverts permet de transformer les plaquettes en verre poreux hiérarchisé. L'équipe a réussi à rendre transparent ce matériau, qui a un aspect laiteux en raison de la façon dont ses pores reflètent la lumière blanche, en l'infiltrant d'eau. Cela signifie que la quantité de lumière absorbée par le verre peut être très facilement contrôlée en humidifiant et en séchant le matériau, un effet qui pourrait être utilisé, par exemple, pour des fonctions simples dans les fenêtres, qui pourraient être commutées par l'humidité de l'air. De telles lunettes intelligentes pourraient être commutées relativement rapidement, car l'humidification et le séchage peuvent avoir lieu rapidement dans tout le volume grâce aux voies de transport multi-échelles.
Dans l'ensemble, les scientifiques prévoient un large éventail d'applications potentielles, notamment dans le domaine de la technologie énergétique. "Le silicium a toujours le plus grand potentiel pour servir de matériau d'électrode pour les batteries lithium-ion", déclare Patrick Huber (DESY et TU Hamburg). "Notre nouvelle technique de gravure pourrait constituer la base d'une nouvelle génération de cellules de batterie avec une densité de charge élevée et un grand nombre de cycles de charge, s'il s'avère que non seulement la vitrification, c'est-à-dire l'incorporation d'oxygène, mais aussi l'incorporation de lithium préservent la structure interne grâce à la porosité hiérarchique des cristaux de silicium. Dans le silicium non poreux, cette lithiation détruit généralement le matériau."
La prochaine étape consistera à comprendre encore mieux comment les paramètres de fabrication influent sur la porosité et ce qui fait avancer exactement les particules d'argent lorsqu'elles perforent le matériau. Stella Gries a l'intention de se pencher sur cette question dans le cadre de son doctorat. Dans une prochaine étape, nous allons également étudier la lithiation du silicium poreux hiérarchique en coopération avec d'autres partenaires.
La procédure, pour laquelle les chercheurs ont déposé un brevet, a été développée dans le cadre du Centre for Integrated Multiscale Materials Systems, CIMMS, et du Centre de recherche collaborative "SFB 986 : Tailor-Made Multiscale Materials Systems", qui est basé à l'université de technologie de Hambourg.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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