Amélioration de l'analyse des surfaces de silicium
Des progrès pour le photovoltaïque par exemple
Une nouvelle méthode d'analyse des surfaces de silicium rugueuses combine la microscopie à force atomique (AFM) et la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS). Les erreurs dues à la rugosité de la surface peuvent ainsi être mieux corrigées. Cette méthode donne des résultats plus précis, en particulier pour le silicone noir, une surface de silicium nanostructurée spéciale souvent utilisée dans le photovoltaïque. Ces développements sont importants pour la recherche et l'application de matériaux nanostructurés. Le travail a été publié dans la revue Small Methods.
Représentation schématique ; en jaune, la lumière X entraîne l'émission de photoélectrons (en rouge). Le détecteur enregistre les photoélectrons provenant soit du Si, soit de la couche d'oxyde de Si, perpendiculairement à la surface lisse (à gauche).
Frank Müller, AG Jacobs
La combinaison de la microscopie à force atomique (AFM) et de la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) représente un progrès important dans la caractérisation des surfaces. L'XPS est une méthode bien établie pour déterminer la composition chimique des surfaces. Cependant, sur les surfaces rugueuses comme le Black Silicon, l'analyse XPS est faussée par les différents angles d'émission des photoélectrons (voir illustration), ce qui peut entraîner une forte surestimation de l'épaisseur réelle des couches. Sur la surface lisse (à gauche), le photoélectron est émis perpendiculairement à la surface et à la couche d'oxyde, tandis que sur la surface rugueuse (à droite), l'inclinaison de la surface par rapport au détecteur entraîne un trajet plus long du photoélectron à travers l'oxyde. Les spectres XPS résultants sont donc faussés pour les surfaces rugueuses, ce qui se traduit dans l'analyse par une épaisseur de couche d'oxyde trop élevée. Pour corriger ces erreurs, l'équipe du professeur Dr. Karin Jacobs du département de physique de l'Université de la Sarre a développé une méthode qui utilise les mesures AFM pour déterminer avec précision la topographie de la surface et qui intègre ces informations dans l'analyse des données XPS.
Cette méthode est particulièrement importante pour l'analyse du Black Silicon, une surface de silicium spéciale à laquelle des procédés de gravure ciblés confèrent une surface nanostructurée et très rugueuse. "Cette rugosité réduit la réflexion de la lumière et augmente l'absorption de la lumière, ce qui rend le Black Silicon particulièrement intéressant pour les applications dans le photovoltaïque", explique PD Dr Frank Müller, l'expert XPS de l'équipe. La nouvelle méthode permet désormais de déterminer l'épaisseur de la couche d'oxyde sur le Black Silicon avec une précision inégalée.
Les scientifiques utilisent une analyse géométrique inédite de l'image topographique de la surface fournie par l'AFM. "Les capteurs dits de Minkowski permettent de déterminer avec précision l'inclinaison locale de la surface et d'intégrer ces informations de l'AFM dans l'évaluation des spectres XPS", explique le partenaire de coopération de l'équipe de Sarrebruck, le Dr Michael Klatt, physicien théoricien au Centre aérospatial allemand (DLR) à Ulm ou à Cologne. "De cette manière, les distorsions dues à la rugosité de la surface sont corrigées et l'épaisseur de la couche d'oxyde peut être déterminée avec beaucoup plus de précision", explique Jens Uwe Neurohr, qui prépare un doctorat dans ce domaine.
Les résultats de l'étude montrent que la couche d'oxyde sur le Black Silicon n'est qu'environ 50 à 80 pour cent plus épaisse que la couche d'oxyde native sur une plaquette de silicium traditionnelle. Sans la correction apportée par les données AFM, on aurait obtenu une valeur d'environ 300 pour cent, soit une surestimation massive des conditions réelles.
Cette combinaison de méthodes est particulièrement précieuse pour la recherche sur les matériaux, car elle permet une caractérisation plus précise des surfaces qui présentent des géométries complexes en raison de leur nanostructuration ou de leur rugosité. "Mais cela n'est pas seulement d'un grand intérêt pour le photovoltaïque, mais aussi pour d'autres applications dans lesquelles l'état de surface et les propriétés chimiques sont d'une importance cruciale", explique Karin Jacobs à propos de l'importance fondamentale de ces améliorations. "La détermination précise de l'épaisseur des couches sur les surfaces nanométriques représente un défi majeur. Grâce à notre nouvelle méthode, nous pouvons désormais relever ce défi et fournir des résultats plus précis, ce qui est extrêmement important, notamment pour le développement de matériaux de haute technologie", ajoute Frank Müller.
La recherche a été menée dans le cadre du programme prioritaire SPP 2265 "Random Geometric Systems" financé par la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) ainsi que dans le cadre du domaine de recherche spécial SFB 1027 et représente une étape importante dans le développement des techniques d'analyse de surface. Ces avancées permettront non seulement de faire progresser la science des matériaux, mais aussi de soutenir le développement de nouvelles technologies dans des domaines tels que le photovoltaïque, l'optoélectronique et la nanotechnologie.
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 Allemand peut être trouvé ici.
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