Sintesi di nanocristalli mediante scariche in azoto liquido da Si

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 17477 (2015) Citare questo articolo

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La fattibilità della sintesi di nanocristalli di silicio-stagno mediante scariche in azoto liquido è studiata utilizzando un elettrodo sinterizzato Si–10 a% Sn. La spettroscopia di emissione ottica risolta nel tempo mostra che il silicio e lo stagno fondono quasi simultaneamente. La presenza di entrambi i vapori non porta alla sintesi di nanocristalli legati ma alla sintesi di nanocristalli separati di silicio e stagno con dimensioni medie di 10 nm. Questi nanocristalli vengono trasformati in ossido di silicio amorfo (am–SiO2) e β–SnO2 mediante ossidazione all'aria, dopo evaporazione dell'azoto liquido. La sintesi di una fase am-Si0.95Sn0.05 attorno a grandi cristalli di silicio (~500 nm) decorati da sferoidi β–Sn si ottiene se la corrente che scorre attraverso gli elettrodi è sufficientemente elevata. Quando l'elettrodo sinterizzato viene investito da potenti scariche, alcuni grani si riscaldano e lo stagno si diffonde nei grandi cristalli di silicio. Successivamente, questi grani vengono sgusciati e cadono nel liquido dielettrico.

I nanocristalli di Si-Sn (NC) hanno un grande potenziale per le batterie agli ioni di litio1 e le celle fotovoltaiche2. La crescita diretta delle leghe Si–Sn è spesso difficile a causa della grande differenza nelle costanti reticolari (~20%) di Si e α–Sn e della bassa solubilità di Sn in Si (~6–8 × 1019 cm−3, cioè ~0,15 in % a 1100–1200 °C)3. Ad alta concentrazione di Sn, la lega Si-Sn in equilibrio è una miscela bifase composta dalla fase Si simile al diamante e dalla fase Sn che si trasforma da α-Sn simile al diamante (stagno grigio) a β-Sn tetragonale (stagno bianco) stagno) a 286,3 K (13,2 °C).

Il gap di banda ottica dei NC Si-Sn sarebbe diretto e non indiretto come nel silicio e potrebbe essere regolato poiché dipende sia dal contenuto di stagno che dalle dimensioni del NC. Secondo Jensen et al.4, con una deformazione di trazione del 2,2%, il gap di banda diventa diretto con un'entità di 0,85 eV. Aumentando il contenuto di stagno fino al 25% si diminuisce quasi linearmente il bandgap5 mentre si diminuisce la dimensione NC. Per le applicazioni fotovoltaiche e optoelettroniche4,5, tale materiale troverebbe un ampio utilizzo grazie alla possibilità di regolare con precisione i livelli energetici e le proprietà optoelettroniche mediante gli effetti combinati dovuti alla lega di Si e al confinamento quantico.

Recentemente, la sintesi di NC Si-Sn che presentano proprietà di confinamento quantistico è stata ottenuta mediante ablazione laser di nanosecondi in acqua di un bersaglio amorfo di Si-Sn2. L'ablazione laser in liquidi (LAL) raggiunge solitamente rese di ~ 100 mg h−1. Il ricorso alle scariche elettriche nei liquidi potrebbe aumentarle fino a 100 gh−1.

Gli archi sommersi generati nel liquido6,7,8,9,10,11 sono caratterizzati da confinamento spaziale con pressione molto elevata, che potrebbe consentire la crescita di NC in lega mediante reazione chimica. In pratica si scopre che se si utilizzano due elettrodi di materiali diversi si producono NC di ciascun tipo di materiale ma non si forma alcuna lega12. I target sinterizzati vengono quindi preferiti per ottenere NC legati13,14. Con questa tecnica è possibile generare condizioni di plasma piuttosto simili all'ablazione laser ns con una resa produttiva significativamente migliorata. Un altro vantaggio risiede in un migliore controllo e conoscenza delle condizioni del plasma, che può anche aiutare a comprendere meglio come si formano questi NC.

In questo manoscritto esploriamo la possibilità di sintetizzare NC Si-Sn mediante scariche in azoto liquido che è un forte dielettrico privo di ossigeno. Oltre alla caratterizzazione dei NC, la spettroscopia di emissione ottica risolta nel tempo viene utilizzata per studiare la dinamica del plasma e per correlarla con i risultati del materiale. Particolare attenzione è rivolta all'obiettivo dell'erosione e ai meccanismi che potrebbero portare alla sintesi di NC SiSn.

Quando i prodotti sintetizzati vengono rimossi dall'azoto liquido, l'ossidazione dell'aria contribuisce a convertire i NC metallici o semiconduttori in ossidi (SnO2, SiO2 e (Si1–xSnx)O2). L’ossidazione è relativamente veloce e non siamo riusciti ad evitarla.