Mikroskop udskriver mønstre i nanoskala

Forskere fra AMOLFs 3-D-fotovoltaiske gruppe har brugt et atomkraftmikroskop til at udskrive elektrokemisk på nanoskala. Denne teknik kan printe strukturer til en ny generation af solceller på chips. Forskerne offentliggjorde deres resultater i dag i online-tidsskriftet Nanoskala .

Kobberklaserne på overfladen af ​​guldpladen danner bogstaverne AMOLF (se billede). Disse er usynlige for det blotte øje, fordi bogstaverne kun er et par hundrede nanometer i størrelse. Imidlertid, billedet er tydeligt synligt gennem mikroskopet, der bruges til at skrive bogstaverne. Mark Aarts, Ph.D. studerende i 3-D-fotovoltaikgruppen, brugte dette atomkraftmikroskop (AFM) til at manipulere opløste kobberioner for at danne disse bogstaver.

Han kan bruge teknikken til at tegne enhver ønsket form på en overflade. Teknikken er velegnet til produktion af en ny generation af nano-arkitekterede solceller, som fanger sollys i lodrette nanostrukturer såsom ledninger, kogler eller måske endda træformede elementer. Gruppeleder Esther Alarcón siger, "I traditionelle solceller, lyset falder på det øverste vandrette lag; det bliver mørkere, efterhånden som dybden i materialet øges. I 3D-solceller, i stedet for kun det øverste lag, hele materialets volumen er aktiv." En af udfordringerne er at udvikle en ny teknik til at producere nanotråde nedefra og op ved hjælp af elektrokemiske processer i stedet for at skære dem ud af et større stykke materiale. Det er netop, hvad Aarts er arbejder på.

Tegning med kobber

Skolebørn kan udføre en simpel elektrokemisk reaktion med en klar blå opløsning af kobbersulfat i et glas og to papirclips som elektroder. Når en spænding påføres papirclipsene, kobberaflejringer på en af ​​dem.

Det samme sker på nanoskalaen i AFM. En lille platin nål, 50 nanometer i diameter, bevæger sig over en overflade som nålen på en pladespiller, der bevæger sig over en plade. I dette eksperiment, dette tip fungerer som én papirclips, og en lille guldplade (eller chippen), hvorpå strukturen er tegnet, fungerer som den anden papirclips. Hele opsætningen er suspenderet i en kobbersulfatopløsning. Når der påføres en spænding på tværs af elektroderne, kobber aflejrer sig netop der, hvor spidsen er placeret på guldoverfladen. Hvis spidsen flyttes, så aflejrer kobberet sig lidt længere oppe. Med denne tilgang, et mønster kan tegnes elektrokemisk på en chip ved hjælp af en AFM.

Dobbelt lag

Det blev hurtigt klart, at den elektrokemiske proces på nanoskala ikke forløb på samme måde som ved køkkenbordets skala. For eksempel, til hans overraskelse, Aarts så, at der blev aflejret mere kobber på overfladen ved lavere koncentrationer af kobbersulfatopløsningen. Ved høje koncentrationer, det var umuligt at skrive.

Imidlertid, at banke på overfladen med AFM-spidsen fungerede godt. Det var nødvendigt, for uden denne aflytning, der blev ikke dannet kobber. En grundlæggende proces ligger til grund for dette, Aarts forklarer. "Der dannes altid et lag med den modsatte ladning omkring en ladet elektrode. Dette 'dobbeltlag' dannes også omkring vores AFM-spids og guldelektroden, og det forhindrer, at kobberreaktionen finder sted. Det er overraskende, fordi ved køkkenbordsvægten, det dobbelte lag er det, der letter reaktionen. Ved at banke spidsen på overfladen, det dobbelte lag er brudt, som tillader reaktionen at finde sted lokalt."

Aarts er glad for den vellykkede produktion af 3D-mønstre ved hjælp af en AFM og en elektrokemisk reaktion. Koncentrationseffekten og behovet for at tappe er aldrig tidligere blevet observeret, siger forskeren. "Dobbeltlaget er et af de vigtigste fænomener inden for elektrokemi, men vi forstår det endnu ikke helt. Denne viden kan være vigtig for udviklingen af ​​forbedrede batterier eller elektrokatalyse."

De strukturer, Aarts i øjeblikket tegner, er omkring 50 nanometer store, fordi det er dimensionen af ​​AFM-spidsen. Imidlertid, mindre ville være bedre. "Vi tænker, at vi sagtens kunne bruge en mindre spids til at tegne endnu mindre strukturer."

Forskernes drøm er at producere solceller ved hjælp af denne teknik. Dette vil kræve, at strukturerne er højere. "At øge højden på en kontrolleret måde er stadig svært, siger Aarts, og det arbejder forskerne på. Ultimativt, produktionen af ​​solceller vil kræve strukturer bygget af flere materialer, såsom gallium og arsenid, som tilsammen danner de bedste solceller. "Med elektrokemi, vi kan let anvende materialer samtidigt eller i rækkefølge. Inden for gruppen undersøger vi også disse processer, og vi håber at kombinere det hele i fremtiden."