Analyse en inperking van defectvorming in Zn3P2-kristallen: een benadering op nanoschaal

EEN studie gepubliceerd in nanoschaal toont aan dat hoogwaardig Zn₃P₂ kristallen, vrij van interface-defecten, kunnen worden vervaardigd met een benadering op nanoschaal. Het bestaat uit het gebruik van selectieve gebiedsepitaxie om nanodraden van Zn . te laten groeien₃P₂, een interessant materiaal voor toepassing in zonne- en fotovoltaïsche cellen. Dit werk, gecoördineerd door ICN2-groepsleider ICREA Prof. Jordi Arbiol, maakt ook gebruik van ultramoderne microscopietechnieken en 3D-simulaties om de vorming van verschillend georiënteerde structuren binnen de nanodraden grondig te onderzoeken.

Zinkfosfide (Zn₃P₂) is een halfgeleider waarvan de eigenschappen, waaronder de overvloed aan componenten op aarde, een directe bandgap en een hoog vermogen om licht in het zichtbare bereik te absorberen, het een aantrekkelijke kandidaat maken voor gebruik in zonnecellen als absorber, dwz de laag die produceert vrije ladingsdragers als gevolg van lichtabsorptie. Gedetailleerde studies hierover zijn echter beperkt vanwege de moeilijkheden bij het vervaardigen van hoogwaardig materiaal. In het bijzonder kristallen van Zn₃P₂ worden geproduceerd door epitaxiale groei op een substraat, maar de structurele kenmerken van dit materiaal maken het moeilijk om grote hoeveelheden ervan te kweken zonder defecten, die de prestaties ervan kunnen belemmeren.

De studie maakt gebruik van een fabricagestrategie voor nanostructuren om nanodraden van Zn . te produceren₃P₂met verminderde elastische spanningen, wat resulteert in veel minder defecten op het grensvlak met het substraat. Naast het bewijzen dat deze benadering gunstig is, gebruikt het werk ook geavanceerde microscopie-, beeldvormings- en simulatietechnieken om het groeiproces tot op atomair niveau te analyseren en om de kenmerken en invloed te onderzoeken van andere soorten onregelmatigheden die in de gekweekte nanodraden voorkomen. Dit onderzoek werd gecoördineerd door ICREA Prof. Jordi Arbiol, leider van de ICN2 Advanced Electron Nanoscopy Group, en Prof. Anna Fontcuberta i Morral, van de Ecole Polytechnique Fédérale van Lausanne (EPFL, Zwitserland); eerste auteurs van het artikel zijn Dr. Maria Chiara Spadaro, postdoctoraal onderzoeker in de groep van Prof. Arbiol, en Dr. Simon Escobar Steinvall, voorheen bij EPFL en momenteel postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Lund (Zweden).

De onderzoekers kweekten Zn₃P₂ nanodraden op een substraat van indiumfosfide (InP) door middel van selectieve gebiedepitaxie (SAE), een techniek waarbij een masker wordt gebruikt om de groei te beperken tot specifiek ontworpen openingen en gewenste richtingen. Het kleine contactoppervlak tussen de twee materialen en het gebruik van een masker maakte de fabricage van nanodraden mogelijk zonder misfit-dislocaties aan de interface, of met andere woorden, geen interface-gerelateerde defecten. Er werden met name twee kristallijne oriëntaties gekozen om de nanodraden te laten groeien, op 45 graden ten opzichte van elkaar, en beide vertoonden dezelfde hoge kwaliteit.

Er zijn echter andere defecten die tijdens het fabricageproces kunnen optreden – zelfs met deze benadering op nanoschaal – en die eigenlijk moeilijker te controleren en te beheersen zijn. In feite observeerden de auteurs van deze studie de vorming van geroteerde domeinen in het gegroeide materiaal, wat betekent dat er delen in de hele structuur zijn die een andere kristaloriëntatie vertonen ten opzichte van de rest. Om dit fenomeen in detail te analyseren en hoe het de kwaliteit van de Zn . beïnvloedt₃P₂ nanodraden, gebruikten de auteurs van deze studie state-of-the-art technieken (atomaire resolutie aberratie gecorrigeerde hoge-hoek ringvormige donkerveld scanning transmissie elektronenmicroscopie beeldvorming, of AC-HAADF STEM) om structurele informatie over het materiaal te verzamelen tot op atomair niveau . Ze gebruikten de verzamelde gegevens ook om betrouwbare 3D-atoommodellen te maken die HAADF-STEM-beeldsimulatie uitvoeren, om een ​​dieper inzicht in het groeiproces te krijgen.

Ze observeerden domeinen die 120 graden waren gedraaid in beide soorten nanodraden (van 0 graden en 45 graden kristallijne oriëntatie), waarvan de interfaces echter erg scherp zijn. Geen bungelende bindingen of mid-gap elektronische toestanden gevormd op de geroteerde interface. Ze verklaarden dit fenomeen als gevolg van de gelijktijdige en onafhankelijke groei van kristallen met verschillende oriëntaties in gescheiden delen van de maskeropeningen. Naarmate de groei doorzet, smelten alle delen samen in een unieke structuur en de dominante integreert de andere volledig. Er zijn twee animaties gerealiseerd om dit proces in de twee soorten nanodraden te illustreren; ze zijn beschikbaar hier (0 graden oriëntatie) en hier (45 graden oriëntatie).

Deze studie toont aan dat de nanoschaalbenadering op basis van selectieve epitaxie van het gebied de fabricage van Zn . van hogere kwaliteit garandeert₃P₂ kristallen, dwz de groei zonder defecten aan het grensvlak. Het bewijst ook de mogelijkheden van geavanceerde microscopie- en beeldvormingstechnieken (met name de bovengenoemde AC HAADF-STEM) en 3D-atoommodellering en beeldsimulaties om de vorming van defecten en hun impact op nieuwe materialen volledig te begrijpen.