Analyse og indeslutning af defektdannelse i Zn3P2-krystaller:En nanoskalatilgang

En undersøgelse offentliggjort i Nanoscale viser, at Zn₃ af høj kvalitet P₂ krystaller, fri for grænsefladedefekter, kan fremstilles med en nanoskala tilgang. Det består i at bruge selektiv områdeepitaksi til at dyrke nanotråde af Zn₃ P₂ , et materiale af interesse til anvendelse i solceller og fotovoltaiske celler. Dette arbejde, koordineret af ICN2 gruppeleder ICREA Prof. Jordi Arbiol, anvender også state-of-the-art mikroskopiteknikker og 3D-simuleringer til grundigt at undersøge dannelsen af ​​forskelligt orienterede strukturer i nanotrådene.

Zinkphosphid (Zn₃ P₂ ) er en halvleder, hvis egenskaber, herunder mængden af ​​dens komponenter på Jorden, et direkte båndgab og en høj kapacitet til at absorbere lys i det synlige område, gør den til en attraktiv kandidat til brug i solceller som absorber, dvs. det lag, der producerer gratis ladningsbærere som følge af lysabsorption. Imidlertid er dybdegående undersøgelser af det begrænsede på grund af vanskelighederne ved at fremstille materiale af høj kvalitet. Især krystaller af Zn₃ P₂ produceres ved epitaksial vækst på et substrat, men de strukturelle egenskaber af dette materiale gør det svært at dyrke store mængder af det uden at pådrage sig defekter, som kan hæmme dets ydeevne.

Undersøgelsen bruger en nanostrukturfremstillingsstrategi til at producere nanotråde af Zn₃ P₂ med reducerede elastiske belastninger, hvilket resulterer i meget færre defekter i grænsefladen med underlaget. Udover at bevise, at denne tilgang er gunstig, anvender arbejdet også avancerede mikroskopi-, billeddannelses- og simuleringsteknikker til at analysere vækstprocessen ned til atomniveau og til at undersøge karakteristika og indflydelse af andre former for uregelmæssigheder, der opstår i de dyrkede nanotråde. Denne forskning blev koordineret af ICREA Prof. Jordi Arbiol, leder af ICN2 Advanced Electron Nanoscopy Group, og Prof. Anna Fontcuberta i Morral, fra Ecole Polytechnique Fédérale i Lausanne (EPFL, Schweiz); første forfattere af papiret er Dr. Maria Chiara Spadaro, postdoc-forsker i Prof. Arbiols gruppe, og Dr. Simon Escobar Steinvall, tidligere ved EPFL og i øjeblikket postdoc-forsker ved Lunds Universitet (Sverige).

Forskerne dyrkede Zn₃ P₂ nanotråde på et substrat af indiumphosphid (InP) ved hjælp af selektiv områdeepitaksi (SAE), en teknik, hvor en maske bruges til at begrænse væksten til specifikt designede åbninger og ønskede retninger. Den lille kontaktflade mellem de to materialer og brugen af ​​en maske tillod fremstillingen af ​​nanotråde uden mistilpasningsforskydninger ved grænsefladen, eller med andre ord, ingen grænsefladerelaterede defekter. Især to krystallinske orienteringer blev valgt til at dyrke nanotrådene, ved 45 grader i forhold til hinanden, og begge udviste samme høje kvalitet.

Der er dog andre defekter, der kan dukke op under fremstillingsprocessen – selv ved brug af denne nanoskala tilgang – og som faktisk er sværere at overvåge og kontrollere. Faktisk observerede forfatterne af denne undersøgelse dannelsen af ​​roterede domæner i det dyrkede materiale, hvilket betyder, at der er dele i hele strukturen, der præsenterer en anden krystalorientering i forhold til resten. For at analysere dette fænomen i detaljer, og hvordan det påvirker kvaliteten af ​​Zn₃ P₂ nanotråde, brugte forfatterne af denne undersøgelse avancerede teknikker (atomopløsnings-aberrationskorrigeret højvinklet ringformet mørkfelt-scanningstransmission elektronmikroskopi-billeddannelse eller AC-HAADF STEM) til at indsamle strukturel information om materialet ned til atomniveau . De brugte også de indsamlede data til at skabe pålidelige 3D-atommodeller, der udfører HAADF-STEM billedsimulering, for at få dybere indsigt i vækstprocessen.

De observerede domæner roteret 120 grader i begge slags nanotråde (med 0 grader og 45 grader krystallinsk orientering), hvis grænseflader dog er meget skarpe. Ingen dinglende bindinger eller elektroniske tilstande mellem mellemrum dannet ved den roterede grænseflade. De forklarede dette fænomen som et resultat af den samtidige og uafhængige vækst af krystaller med forskellige orienteringer i adskilte dele af maskeåbningerne. Efterhånden som væksten fortsætter, smelter alle dele sammen i en unik struktur, og den dominerende integrerer de andre fuldstændigt. To animationer blev realiseret for at illustrere denne proces i de to slags nanotråde; de er tilgængelige her (0 graders orientering) og her (45 graders orientering).

Denne undersøgelse viser, at tilgangen i nanoskala baseret på selektiv områdeepitaksi garanterer fremstillingen af ​​Zn₃ af højere kvalitet P₂ krystaller, dvs. dens vækst uden defekter ved grænsefladen. Det beviser også mulighederne for avancerede mikroskopi- og billeddannelsesteknikker (specifikt ovennævnte AC HAADF-STEM) og 3D atommodellering og billedsimuleringer for fuldt ud at forstå defektdannelsen og deres indvirkning på nye materialer. + Udforsk yderligere

En ny metode ved hjælp af nanotråde kan gøre solpaneler meget mere effektive og meget billigere