Il congelamento istantaneo del silicio imita il Big Bang
Nuove idee per la produzione di strati di materiali semiconduttori privi di difetti
Le celle solari e i chip per computer necessitano di strati di silicio il più possibile perfetti. Ogni imperfezione nella struttura cristallina di un wafer di silicio aumenta il rischio di riduzione dell'efficienza o di processi di commutazione difettosi. Se si conosce il modo in cui gli atomi di silicio si dispongono per formare un reticolo cristallino su una superficie sottile, si ottengono informazioni fondamentali per controllare la crescita dei cristalli. A questo scopo, un team di ricerca dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), dell'Università di Duisburg-Essen e dell'Università canadese di Alberta ha analizzato il comportamento del silicio surgelato. I risultati mostrano che la velocità di raffreddamento ha un forte impatto sulla struttura delle superfici di silicio. Il meccanismo sottostante potrebbe essersi verificato anche durante le transizioni di fase nell'universo primordiale, poco dopo il Big Bang.
A basse temperature, sulla superficie del silicio si formano coppie di atomi di silicio note come dimeri, che possono inclinarsi a destra o a sinistra come un'altalena. Al di sopra di una certa temperatura critica - nel caso del silicio 190 Kelvin (-83 °C) - i dimeri oscillano avanti e indietro tra i due stati. "Quando vengono raffreddati al di sotto della temperatura critica, i dimeri si bloccano in uno dei due stati", spiega il dott. Gernot Schaller, responsabile della tecnologia dell'informazione quantistica presso l'Istituto di fisica teorica dell'HZDR. "Sono effettivamente congelati da questa transizione di fase".
Inoltre, i singoli dimeri si influenzano a vicenda. Questa influenza dipende dalla disposizione dei dimeri: l'accoppiamento in direzione trasversale è più forte di quello in direzione longitudinale. "Ed è proprio questa forte cosiddetta anisotropia che è essenzialmente responsabile del comportamento dei dimeri sulla superficie", spiega Schaller. "A seconda della velocità di raffreddamento, assistiamo a una transizione da un comportamento monodimensionale a uno bidimensionale". Unidimensionale significa che quando il raffreddamento è estremamente rapido, più di 100 Kelvin al microsecondo, gli angoli di inclinazione dei dimeri si dispongono lungo lunghe catene. Se la temperatura scende più lentamente, invece, prevale il comportamento bidimensionale. In questo caso i dimeri di silicio formano superfici ordinate più o meno grandi, note come domini, caratterizzate da una struttura uniforme a nido d'ape. "Più lento è il raffreddamento, più grandi sono i domini", spiega Schaller.
Per calcolare la struttura superficiale del cristallo, i ricercatori hanno utilizzato il cosiddetto modello di Ising. Questo modello matematico considera gli angoli di inclinazione dei dimeri di silicio che possono assumere solo uno dei due stati possibili. Questa elegante descrizione di una transizione di fase durante il rapido raffreddamento delle superfici di silicio grazie al modello di Ising anisotropo non è solo pura teoria. I ricercatori hanno anche confrontato i loro calcoli analitici e numerici con i dati sperimentali.
Catene a nido d'ape e a zig-zag
Le immagini al microscopio a scansione tunnel ad alta risoluzione delle superfici di silicio congelate per flash rivelano strutture che corrispondono alle simulazioni. Si possono osservare sia estese strutture bidimensionali a nido d'ape sia netti confini unidimensionali tra catene a zigzag. "I nostri colleghi dell'Università di Duisburg-Essen stanno pianificando ulteriori esperimenti che potrebbero confermare l'impatto della velocità di raffreddamento sulla struttura della superficie di silicio, in analogia con le nostre simulazioni", afferma il Prof. Ralf Schützhold, direttore dell'Istituto di Fisica Teorica dell'HZDR.
I risultati non solo generano nuove idee per la produzione su misura di superfici di silicio prive di difetti, "il modo in cui i dimeri di silicio si comportano presenta paralleli con il cosiddetto meccanismo di Kibble-Zurek", afferma Schützhold. Questo modello teorico, che prende il nome dai fisici teorici Tom Kibble e Wojciech H. Zurek, descrive come i difetti topologici, cioè le imperfezioni in una struttura ordinata, si formino durante le transizioni di fase veloci. Kibble ha esaminato i processi durante il raffreddamento dell'universo molto giovane dopo il Big Bang. I difetti topologici, come i monopoli puntiformi o i difetti lineari - le stringhe cosmiche - potrebbero essersi creati in questo modo. Zurek aveva previsto un comportamento analogo nella materia condensata, utilizzando l'esempio dell'elio superfluido criogenico. Ora il team di Schaller e Schützhold ha dimostrato che il meccanismo di Kibble-Zurek è apparentemente molto più diffuso di quanto originariamente previsto e può verificarsi persino sulle superfici di silicio congelate in tempo reale.
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