Silicium kan fås til at smelte omvendt

Som en isterning på en varm dag, de fleste materialer smelter - det vil sige skifte fra en fast til en flydende tilstand - efterhånden som de bliver varmere. Men et par ulige materialer gør det omvendte:De smelter, når de bliver køligere. Nu har et team af forskere ved MIT fundet ud af, at silicium, det mest udbredte materiale til computerchips og solceller, kan udvise denne mærkelige egenskab ved "retrograd smeltning", når den indeholder høje koncentrationer af visse metaller opløst i den.

Materialet, en forbindelse af silicium, kobber, nikkel og jern, "smelter" (går faktisk over fra et fast stof til en slush-lignende blanding af fast og flydende materiale), når det afkøles til under 900 grader Celsius, der henviser til, at silicium normalt smelter ved 1414 grader C. De meget lavere temperaturer gør det muligt at observere materialets adfærd under smeltning, baseret på specialiseret røntgenfluorescensmikroprobe-teknologi, der anvender en synkrotron-en type partikelaccelerator-som kilde.

Materialet og dets egenskaber er beskrevet i et papir, der netop er offentliggjort online i tidsskriftet Avancerede materialer. Teamleder Tonio Buonassisi, SMA -adjunkt i maskinteknik og fremstilling, er seniorforfatteren, og hovedforfatterne er Steve Hudelson MS ’09, og postdoktor Bonna Newman PhD ’08.

Resultaterne kan være nyttige til at sænke omkostningerne ved fremstilling af nogle siliciumbaserede enheder, især dem, hvor små mængder urenheder kan reducere ydeevnen betydeligt. I det materiale, Buonassisi og hans forskere studerede, urenheder har en tendens til at migrere til den flydende del, efterlader områder med renere silicium. Dette kan gøre det muligt at producere nogle siliciumbaserede enheder, såsom solceller, ved hjælp af en mindre ren, og derfor billigere, kvalitet af silicium, der ville blive renset under fremstillingsprocessen.

"Hvis du kan skabe små flydende dråber inde i en blok af silicium, de tjener som små støvsugere til at suge urenheder op, ”Siger Buonassisi. Denne forskning kan også føre til nye metoder til fremstilling af arrays af silicium nanotråde - små rør, der er meget ledende for varme og elektricitet.

Buonassisi forudsagde i et papir fra 2007, at det skulle være muligt at fremkalde retrograd smeltning i silicium, men de nødvendige betingelser for at producere en sådan stat, og for at studere det på et mikroskopisk niveau, er højt specialiserede og er først for nylig blevet tilgængelige. For at skabe de rigtige betingelser, Buonassisi og hans team måtte tilpasse et mikroskop "hot-stage" -apparat, der gjorde det muligt for forskerne at præcist styre opvarmning og køling. Og for faktisk at observere, hvad der skete, da materialet blev opvarmet og afkølet, de trak på synkrotronbaserede røntgenkilder med høj effekt på Lawrence Berkeley National Laboratory i Californien og på Argonne National Laboratory i Illinois (forskere fra begge nationale laboratorier er medforfattere af papiret).

Undersøgelsen blev støttet af det amerikanske energiministerium, National Science Foundation, Clare Booth Luce Foundation, Doug Spreng og Chesonis Family Foundation, og noget udstyr blev leveret af McCrone Scientific.

Materialet til testene bestod af en slags sandwich fremstillet af to tynde lag silicium, med en fyldning af kobber, nikkel og jern mellem dem. Dette blev først opvarmet nok til at få metallerne til at opløses i silicium, men under siliciums smeltepunkt. Mængden af ​​metal var sådan, at silicium blev overmættet - det vil sige mere af metallet blev opløst i silicium, end det normalt ville være muligt under stabile betingelser. For eksempel, når en væske opvarmes, det kan opløse mere af et andet materiale, men når den er afkølet, kan den blive overmættet, indtil det overskydende materiale udfælder.

I dette tilfælde, hvor metallerne blev opløst i det faste silicium, "Hvis du begynder at køle det ned, du rammer et punkt, hvor du fremkalder nedbør, og det har ikke andet valg end at udfælde i en flydende fase, ”Siger Buonassisi. Det er på det tidspunkt, at materialet smelter.

Matthias Heuer, seniorforsker ved Calisolar, et opstartsselskab med solenergi, siger, at dette arbejde er “unikt og nyt for vores felt, "Og det" giver en meget god indsigt i, hvordan overgangsmetaller og strukturelle defekter interagerer. " Men han tilføjer, at der stadig er et antal spørgsmål, der skal besvares i opfølgende undersøgelser:“Nu hvor vi ved, at der kan dannes væskeindeslutninger, spørgsmålet er, hvor effektive som dræn til urenheder er de? Hvor stabile er de? Kan de holde urenhederne lokaliseret under andre procestrin - f.eks. under den sidste affyringsproces af en solcelle? ”