Stampi per nanocristalli di silicio

Nella scienza dei materiali uno dei più grandi obiettivi è riuscire a realizzare strutture ben definite che possano essere studiate senza l’interferenza dovuta alla presenza di difetti. Ottenerlo in nanomateriali è una sfida ancora più grande. Le moderne tecniche come la fotolitografia permettono di creare nanostrutture ben definite nell’ordine dei 10 nm, ma si tratta di strutture 2-D, se si vuole ottenere la stessa definizione in strutture 3-D le cose si complicano. Di particolare interesse è riuscire ad ottenere singoli cristalli di silicio ben strutturati nelle tre dimensioni. Riuscire a studiare tali cristalli senza difetti permetterebbe di conoscere più dettagliatamente le proprietà di questo semiconduttore presente in tutti i circuiti integrati, e di conseguenza ingegnerizzarlo per aumentarne le prestazioni. Fin dall’antichità per dare forma alle cose si sono utilizzati stampi in cui si gettava metallo fuso che raffreddandosi solidificava prendendo la forma dello stampo. Ricercatori della Cornell University sono partiti da questa idea per creare nanostampi di polimeri organici autoassemblati (copolimeri a blocchi) i quali formano strutture ordinate con nanopori definiti su cui modellare silicio amorfo fuso. È stato utilizzata un copolimero a tre blocchi (ABC) formata da tre polimeri: polisoprene, polistirene e ossido di polietilene. Per ottenere la struttura 3-D continua, il self-assembly del polimero è stato combinato con un riscaldamento transiente tramite laser a CO2.  Sebbene utilizzare uno “stampo polimerico” possa sembrare una soluzione banale, in realtà presenta numerose difficoltà, tra le quali sicuramente la più difficile da risolvere riguarda la temperatura di fusione del silicio. La forma pura del silicio fonde a circa 2000 °C, mentre il copolimero a blocchi utilizzato in questo studio fonde a 600°C, è quindi evidente che la nanostruttura sarebbe decomposta dal silicio fuso. I ricercatori hanno ovviato a questo problema utilizzando brevi impulsi laser (singolo impulso di 40ns con un laser XeCl λ=308nm a 550mJ/cm2) per indurre una fusione transiente nel silicio, il quale fonde e solidifica in un tempo talmente breve che non permette l’ossidazione e la decomposizione del polimero che quindi rimane inalterato. Maggiori info su phys.org, articolo completo su Science.


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