美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的研究人员开发了一种新的理论模型，解释了制造黑硅的一种方法，黑硅是用于太阳能电池、光传感器、抗菌表面和许多其他应用的重要材料。
黑硅是在普通硅的表面被蚀刻以在表面产生微小的纳米级凹坑时制成的。这些凹坑将硅的颜色从灰色变为黑色，关键是，它们会捕获更多的光，这是高效太阳能电池的基本特征。
虽然制造黑硅的方法有很多种，包括一些使用带电的第四态物质的方法，但新模型侧重于仅使用氟气体的过程。PPPL博士后研究助理尤里·巴尔苏科夫表示，选择专注于氟是有意为之的：PPPL的团队希望填补公开研究的空白。虽然已经发表了一些关于称为离子的带电粒子在黑硅生产中的作用的论文，但关于中性物质的作用的论文并不多。
“我们现在非常具体地知道了使用氟气时导致这些凹坑形成的机制，”Barsukov说，他是一篇关于这项工作的新论文的作者之一，发布在《真空科学与技术杂志》上。
Barsukov补充说：“这种公开发布的信息使我们所有人都受益，无论我们是进一步了解强调这些过程的基本知识，还是寻求改进制造过程。
新的蚀刻模型精确地解释了氟气如何比其他键更频繁地破坏硅中的某些键，这取决于键在表面的方向。由于硅是一种晶体材料，原子以刚性模式键合。这些键可以根据它们在图案中的方向来表征，每种类型的方向或平面都由括号中的数字标识，例如“100”、“110”或 “111”。
“如果使用氟气蚀刻硅，蚀刻会沿着“100”和“110”晶体平面进行，但不会蚀刻“111”，从而导致蚀刻后表面粗糙，”Barsukov解释说。当气体不均匀地蚀刻在硅上时，会在硅表面产生凹坑。表面越粗糙，吸收的光就越多，使粗糙的黑硅成为太阳能电池的理想选择。相比之下，光滑的硅是创建计算机芯片所需的原子级图案的理想表面。
“如果你想在留下光滑表面的同时蚀刻硅，你应该使用氟以外的另一种反应物。它应该是一种均匀蚀刻所有结晶平面的反应物，“Barsukov说。
这项研究也值得注意，因为它代表了PPPL最新研究领域之一的早期成功。
“实验室正在多样化，”该论文的首席研究物理学家和合著者Igor Kaganovich说。“这是PPPL第一次做这种量子化学工作。
量子化学是使用量子力学研究分子结构和反应性的科学分支，量子力学是控制非常小和非常轻的物体的物理定律。
为该论文做出贡献的其他研究人员包括副研究物理学家Joseph Vella;普林斯顿大学研究生塞拉·朱宾;以及 PPPL Omesh Dhar Dwivedi 的前研究助理。
