Новый материал для энергетики и сенсорики: сибирские ученые изготовили черный кремний со сверхвысокими светопоглощающими свойствами
Исследователи из под руководством д.ф.-м.н. Старинского Сергея Викторовича совместно с коллегами из Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН и Национального фонда научных исследований Греции выяснили, как с высокой точностью управлять формированием различных типов микроструктур на поверхности кремния с помощью импульсного наносекундного лазера.
Статья «Role of melting, evaporation, and plasma shielding in surface morphology formation during nanosecond laser texturing of silicon» опубликована в международном журнале Surfaces and Interfaces (Q1) коллективом авторов: М.М. Васильев, А.А.Родионов, Ю.Г. Шухов, Н.И. Смирнов, Ф.А. Самохвалов, Т. Гианнакис, М. Кандела, В.С. Суляева, С.В. Старинский.
Одним из наиболее перспективных материалов последних лет считается черный кремний, поверхность которого обладает текстурой в виде микроконусов. Благодаря такой структуре материал практически не отражает падающий свет и поэтому получил название «черный кремний». Черный кремний рассматривается как перспективный материал для использования в высокоэффективных солнечных элементах, а также как теплообменная поверхность нового поколения, которая интенсифицирует процессы кипения и охлаждения. Среди других потенциальных приложений можно выделить использование черного кремния в высокочувствительных сенсорах, а также фотодетекторах, работающих в широком диапазоне длин волн. Несмотря на большой интерес к черному кремнию, его получение остается сложной технологической задачей, поскольку существующие методы либо требуют многостадийной химической обработки, либо не позволяют точно управлять формой микроструктуры.
Одним из наиболее перспективных способов получения черного кремния считается лазерное текстурирование. Оно не требует применения химических реагентов, позволяет локально обрабатывать поверхность с высокой точностью и хорошо масштабируется для промышленного производства. Однако, до сих пор оставалось неясным, почему при схожих условиях обработки на поверхности кремния возникают совершенно разные структуры, обладающие различными свойствами. Именно форма таких микроструктур определяет, насколько хорошо материал поглощает свет, а также как взаимодействует с жидкостями или отводит тепло.
В своей работе ученые впервые подробно проследили, как изменяется поверхность кремния при различных режимах лазерной обработки в условиях пониженного давления внешнего окружения. Исследователи впервые установили физические закономерности формирования различных типов микроструктур и показали, что ключевым параметром, определяющим их тип, является плотность энергии лазерного импульса. В зависимости от нее формируются четыре устойчивых типа поверхности – от практически гладкой до черного кремния.
Одним из наиболее важных результатов исследования стало первое количественное определение влияния плазменного экранирования – явления, при котором во время лазерного импульса над поверхностью возникает облако плазмы, поглощающее часть лазерного излучения. До настоящего времени этот эффект был известен, однако его влияние на образование различных типов поверхностей практически не удавалось измерить экспериментально.
Полученные экспериментальные данные позволили разработать и проверить математическую модель, которая описывает, как плавление, испарение материала и плазменное экранирование совместно определяют формирование поверхности. Благодаря этому исследователи смогли установить, при каких режимах образуется черный кремний, а при каких – другие типы микроструктур. Практическая ценность работы заключается в том, что теперь режимы лазерной обработки можно подбирать не методом проб и ошибок, а на основе физических закономерностей. Это значительно упрощает разработку материалов с заранее заданными свойствами.
Исследование выполнено в рамках государственного задания Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН №126021217045-9. Измерения методом сканирующей электронной микроскопии были проведены в Институте неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Пресс-центр ИТ СО РАН