Miglioramento dell'analisi delle superfici di silicio
I progressi del fotovoltaico, ad esempio
Un nuovo metodo per analizzare le superfici ruvide del silicio combina la microscopia a forza atomica (AFM) e la spettroscopia di fotoelettroni a raggi X (XPS). In questo modo è più facile correggere gli errori causati dalla rugosità della superficie. Il metodo fornisce risultati più precisi, in particolare con il silicio nero, una speciale superficie di silicio nanostrutturata spesso utilizzata nel fotovoltaico. Questi sviluppi sono significativi per la ricerca e l'applicazione dei materiali nanostrutturati. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Small Methods.
Schema; giallo: la luce dei raggi X porta all'emissione di fotoelettroni (rosso). Il rivelatore registra i fotoelettroni, che provengono dal Si o dallo strato di ossido di Si, perpendicolarmente alla superficie liscia (a sinistra).
Frank Müller, AG Jacobs
La combinazione di microscopia a forza atomica (AFM) e spettroscopia di fotoelettroni a raggi X (XPS) rappresenta un progresso significativo nella caratterizzazione delle superfici. L'XPS è un metodo consolidato per determinare la composizione chimica delle superfici. Tuttavia, per le superfici ruvide come il silicone nero, l'analisi XPS è falsata dai diversi angoli di emissione dei fotoelettroni (vedi figura), che possono portare a una forte sovrastima degli spessori reali degli strati. Sulla superficie liscia (a sinistra) il fotoelettrone viene emesso perpendicolarmente alla superficie e allo strato di ossido, mentre sulla superficie ruvida (a destra) l'inclinazione della superficie rispetto al rivelatore porta a un percorso più lungo del fotoelettrone attraverso l'ossido. Gli spettri XPS risultanti sono quindi distorti per le superfici ruvide, il che comporta uno spessore dello strato di ossido eccessivamente elevato nell'analisi. Per correggere questi errori, il team guidato dalla professoressa Karin Jacobs del Dipartimento di Fisica dell'Università del Saarland ha sviluppato un metodo che utilizza le misurazioni AFM per determinare con precisione la topografia della superficie e incorporare queste informazioni nell'analisi dei dati XPS.
Questo metodo è particolarmente importante per l'analisi del silicio nero, una superficie speciale di silicio a cui viene data una superficie nanostrutturata e altamente ruvida attraverso processi di incisione mirati. "Questa rugosità riduce la riflessione della luce e ne aumenta l'assorbimento, rendendo il silicio nero particolarmente interessante per le applicazioni nel settore fotovoltaico", spiega il dottor Frank Müller, esperto XPS del team. Il nuovo metodo consente ora di determinare lo spessore dello strato di ossido sul silicio nero con una precisione senza precedenti.
Gli scienziati utilizzano un nuovo tipo di analisi geometrica dell'immagine topografica della superficie fornita dall'AFM. "I cosiddetti tensori di Minkowski permettono di determinare con precisione l'inclinazione locale della superficie e di incorporare queste informazioni dall'AFM nella valutazione degli spettri XPS", spiega il partner del team di Saarbrücken, il dottor Michael Klatt, fisico teorico presso il Centro Aerospaziale Tedesco (DLR) di Ulm e Colonia. "In questo modo, le distorsioni causate dalla rugosità della superficie vengono corrette e lo spessore dello strato di ossido può essere determinato in modo molto più preciso", spiega Jens Uwe Neurohr, che sta svolgendo un dottorato in questo campo.
I risultati dello studio mostrano che lo strato di ossido sul silicio nero è più spesso solo del 50-80% rispetto allo strato di ossido nativo su un wafer di silicio convenzionale. Senza la correzione apportata dai dati AFM, si sarebbe determinato un valore di circa il 300%, ovvero una massiccia sovrastima delle condizioni reali.
Questa combinazione di metodi è particolarmente preziosa per la ricerca sui materiali, in quanto consente una caratterizzazione più precisa di superfici con geometrie complesse dovute a nanostrutturazioni o rugosità. "Tuttavia, ciò non è di grande interesse solo per il fotovoltaico, ma anche per altre applicazioni in cui la struttura della superficie e le proprietà chimiche sono di importanza cruciale", spiega Karin Jacobs a proposito dell'importanza fondamentale di questi miglioramenti. "La determinazione precisa dello spessore degli strati su superfici nano-ruvide è una sfida importante. Con il nostro nuovo metodo, possiamo ora superare questa sfida e fornire risultati più precisi, il che è particolarmente importante per lo sviluppo di materiali ad alta tecnologia", aggiunge Frank Müller.
La ricerca è stata condotta nell'ambito del programma prioritario SPP 2265 "Sistemi geometrici casuali", finanziato dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG) e dal Centro di ricerca collaborativa SFB 1027 e rappresenta un passo importante nell'ulteriore sviluppo delle tecniche di analisi delle superfici. Questi progressi non solo faranno progredire la scienza dei materiali, ma sosterranno anche lo sviluppo di nuove tecnologie in settori come il fotovoltaico, l'optoelettronica e le nanotecnologie.
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