Análise melhorada de superfícies de silício
Progressos no domínio da energia fotovoltaica, por exemplo
Um novo método de análise de superfícies rugosas de silício combina a microscopia de força atómica (AFM) e a espetroscopia de fotoelectrões de raios X (XPS). Isto facilita a correção de erros causados pela rugosidade da superfície. O método permite obter resultados mais precisos, nomeadamente no caso do silício negro, uma superfície especial nanoestruturada de silício frequentemente utilizada na energia fotovoltaica. Estes desenvolvimentos são importantes para a investigação e a aplicação de materiais nanoestruturados. O trabalho foi publicado na revista Small Methods.
Diagrama esquemático; amarelo: a luz dos raios X leva à emissão de fotoelectrões (vermelho). O detetor regista os fotoelectrões, que têm origem no Si ou na camada de óxido de Si, perpendicularmente à superfície lisa (esquerda).
Frank Müller, AG Jacobs
A combinação de microscopia de força atómica (AFM) e espetroscopia de fotoelectrões de raios X (XPS) representa um avanço significativo na caraterização de superfícies. A XPS é um método estabelecido para determinar a composição química das superfícies. No entanto, para superfícies rugosas como o silicone preto, a análise XPS é falseada pelos diferentes ângulos de emissão dos fotoelectrões (ver figura), o que pode levar a uma forte sobrestimação das verdadeiras espessuras das camadas. Na superfície lisa (esquerda), o fotoeletrão é emitido perpendicularmente à superfície e à camada de óxido, enquanto na superfície rugosa (direita) a inclinação da superfície em relação ao detetor leva a um caminho mais longo do fotoeletrão através do óxido. Os espectros XPS resultantes são, portanto, distorcidos para superfícies rugosas, o que resulta numa espessura da camada de óxido excessivamente elevada na análise. Para corrigir estes erros, a equipa liderada pela Professora Dra. Karin Jacobs, do Departamento de Física da Universidade do Sarre, desenvolveu um método que utiliza medições AFM para determinar com precisão a topografia da superfície e incorporar esta informação na análise dos dados XPS.
Este método é particularmente importante para a análise do silício negro, uma superfície especial de silício à qual é dada uma superfície nanoestruturada e altamente rugosa através de processos de gravação direcionados. "Esta rugosidade reduz a reflexão da luz e aumenta a sua absorção, o que torna o silício negro particularmente interessante para aplicações em energia fotovoltaica", explica o Dr. Frank Müller, especialista em XPS da equipa. O novo método permite agora determinar a espessura da camada de óxido no silício negro com uma precisão sem precedentes.
Os cientistas utilizam um novo tipo de análise geométrica da imagem topográfica da superfície fornecida pelo AFM. "Os chamados tensores de Minkowski permitem determinar com precisão a inclinação local da superfície e incorporar esta informação do AFM na avaliação dos espectros XPS", explica o parceiro de cooperação da equipa de Saarbrücken, Dr. Michael Klatt, físico teórico do Centro Aeroespacial Alemão (DLR) em Ulm e Colónia. "Desta forma, as distorções causadas pela rugosidade da superfície são corrigidas e a espessura da camada de óxido pode ser determinada com muito maior precisão", explica Jens Uwe Neurohr, que está a fazer o seu doutoramento neste domínio.
Os resultados do estudo mostram que a camada de óxido no silício preto é apenas cerca de 50 a 80 por cento mais espessa do que a camada de óxido nativa numa bolacha de silício convencional. Sem a correção dos dados AFM, teria sido determinado um valor de cerca de 300%, ou seja, uma enorme sobrestimação das condições reais.
Esta combinação de métodos é particularmente valiosa para a investigação de materiais, uma vez que permite uma caraterização mais precisa de superfícies com geometrias complexas devido à nanoestruturação ou à rugosidade. "No entanto, isto não é apenas de grande interesse para a energia fotovoltaica, mas também para outras aplicações em que a textura da superfície e as propriedades químicas são de importância crucial", diz Karin Jacobs sobre o significado fundamental destas melhorias. "A determinação exacta da espessura das camadas em superfícies nanométricas é um grande desafio. Com o nosso novo método, podemos agora ultrapassar este desafio e obter resultados mais precisos, o que é particularmente importante para o desenvolvimento de materiais de alta tecnologia", acrescenta Frank Müller.
A investigação foi efectuada no âmbito do programa prioritário SPP 2265 "Sistemas Geométricos Aleatórios", financiado pela Fundação Alemã de Investigação (DFG) e pelo Centro de Investigação em Colaboração SFB 1027, e representa um passo importante no desenvolvimento das técnicas de análise de superfícies. Este progresso não só fará avançar a ciência dos materiais, como também apoiará o desenvolvimento de novas tecnologias em áreas como a fotovoltaica, a optoelectrónica e a nanotecnologia.
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Publicação original
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