Stærkt beriget:En energieffektiv måde at berige brintisotoper i silicium

Deuterium, en tungere, men mindre udbredt version af brintatomet, har mange praktiske anvendelser. Desværre, at producere deuterium og bruge det til at beskytte siliciumbaserede halvledere kræver meget energi og meget dyr deuteriumgas. Nu, forskere fra Japan har opdaget en energieffektiv udvekslingsreaktion for at bytte brintatomer til deuterium på overfladen af ​​nanokrystallinsk silicium. Deres resultater baner vejen til mere holdbare elektroniske enheder, samtidig med at omkostningerne og miljøpåvirkningen holdes nede.

Opdagelsen af ​​isotoper i begyndelsen af ​​20'erne ^th århundrede markerede et nøgleøjeblik i fysikkens historie og førte til en meget mere raffineret forståelse af atomkernen. Isotoper er 'versioner' af et givet element i det periodiske system, der bærer det samme antal protoner, men et andet antal neutroner, og varierer derfor i masse. Disse forskelle i masse kan radikalt ændre visse fysiske egenskaber af atomerne, såsom deres radioaktive henfaldshastigheder, deres mulige reaktionsveje i atomfissionsreaktorer, og meget mere.

Mens de fleste isotoper af et element har lignende kemiske egenskaber, der er en bemærkelsesværdig undtagelse:brintisotoper. De fleste brintatomer på Jorden indeholder kun en proton og en elektron, men der findes brintisotoper, som også har en neutron (deuterium) eller to neutroner (tritium). Deuterium, som i det væsentlige vejer dobbelt så meget som "normalt" brint, har fundet mange praktiske og videnskabelige anvendelser. For eksempel, den kan bruges til at mærke og spore molekyler som proteiner til at undersøge biokemiske processer. Det kan også bruges strategisk i lægemidler for at reducere deres stofskifte og øge deres halveringstid i kroppen.

En anden vigtig anvendelse af deuterium findes inden for halvlederelektronik. Overfladen på siliciumbaserede halvledere skal 'passiveres' med brint for at sikre, at siliciumatomer ikke let slipper (desorberer) derved øger holdbarheden af ​​mikrochips, batterier, og solceller. Imidlertid, gennem mekanismer, der stadig ikke er helt forstået, passivering med deuterium i stedet for brint resulterer i desorptionssandsynligheder omkring hundrede gange lavere, antyder, at deuterium snart kan blive en uundværlig ingrediens i elektroniske enheder. Desværre, både indkøb af deuterium og tilgængelige teknikker til at berige siliciumoverflader med det er meget energiineffektive eller kræver meget dyr deuteriumgas.

Heldigvis, ved Nagoya City University (NCU), Japan, et team af videnskabsmænd ledet af professor Takahiro Matsumoto har fundet en energieffektiv strategi til at berige siliciumoverflader ved hjælp af en fortyndet deuteriumopløsning. Dette studie, som blev offentliggjort i Materialer til fysisk gennemgang , blev udført i samarbejde med Dr. Takashi Ohhara fra Japan Atomic Energy Agency og Dr. Yoshihiko Kanemitsu fra Kyoto University.

Forskerne fandt ud af, at der kan forekomme en ejendommelig udvekslingsreaktion fra hydrogen til deuterium på overfladen af ​​nanokrystallinsk silicium (n-Si). De demonstrerede denne reaktion i tynde n-Si-film nedsænket i en deuterium-holdig opløsning ved hjælp af uelastisk neutronspredning. Denne spektroskopiteknik involverer at bestråle neutroner på en prøve og analysere de resulterende atombevægelser eller krystalvibrationer. Disse eksperimenter, kombineret med andre spektroskopimetoder og energiberegninger baseret på kvantemekanik, afslørede de underliggende mekanismer, der favoriserer udskiftning af brinttermineringer på overfladen af ​​n-Si med deuterium:Udvekslingsprocessen er tæt forbundet med forskelle i overfladens vibrationstilstande mellem brint- og deuteriumtermineret n-Si. "Vi opnåede en firdobling i koncentrationen af ​​overflade deuteriumatomer på n-Si i vores eksperimenter udført i flydende fase, "fremhæver Dr. Matsumoto, "Vi foreslog også en gasfaseberigelsesprotokol for n-Si, der, ifølge vores teoretiske beregninger, kunne øge deuteriumberigelseshastigheden 15 gange. "

Denne innovative strategi med at udnytte kvanteeffekter på overfladen af ​​n-Si kunne bane vejen for nye metoder til at fremskaffe og udnytte deuterium. "Den effektive hydrogen-til-deuterium-udvekslingsreaktion, vi rapporterede, kan føre til bæredygtige, økonomisk gennemførligt, og miljøvenlige deuteriumberigelsesprotokoller, fører til mere holdbar halvlederteknologi, " afslutter Dr. Matsumoto.

NCU-holdet udtalte også, at "Det er teoretisk blevet forudsagt, at jo tungere brinten er, jo højere effektiviteten af ​​udvekslingsreaktionen er. Dermed, vi kan forvente mere effektiv berigelse af tritiumatomer på n-Si, hvilket fører til muligheden for at rense tritiumforurenet vand. Vi mener, at det er et problem, der skal løses hurtigst muligt.«

Lad os håbe, at resultaterne af dette arbejde tillader os at drage mere fordel af de tungere isotoper af brint uden at tage en vejafgift på vores planet.