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I vantaggi della fusione inversa del silicio

melting silicon

Come accade ad un cubetto di ghiaccio in una giornata calda, la maggior parte dei materiali si fondono passando dallo stato solido a liquido, man mano che si scaldano. Ma sono pochi i materiali che invece si sciolgono con il freddo. Ora un team di ricercatori del MIT, in Massachusetts ha scoperto che il silicio, il materiale più utilizzato per i chip per computer e celle solari, può esibire questa strana proprietà di "fusione retrograda" quando contiene alte concentrazioni di alcuni metalli in essa disciolti. I risultati potrebbero essere utili nel ridurre i costi di produzione alcuni dispositivi basati su silicio, soprattutto quelli in cui piccole quantità di impurità possono ridurre significativamente le prestazioni.

Il materiale, un composto di silicio, rame, nichel e ferro, si scioglie in un mix di materiale solido e liquido sotto i 900 gradi Celsius, mentre il silicio fonde ordinariamente a 1.414 gradi C. Le temperature molto più basse permettono di osservare il comportamento del materiale durante la fusione, sulla base di una tecnologia con microsonda a fluorescenza a raggi X che utilizza un sincrotrone, un tipo di acceleratore di particelle, come fonte. Il materiale e le sue proprietà sono descritte in un documento appena pubblicato online sulla rivista Advanced Materials. Nel materiale che Buonassisi e i suoi ricercatori hanno studiato, le impurità tendono a migrare verso la parte liquida, lasciando le regioni del silicio pure. Ciò potrebbe rendere possibile la produzione di alcuni dispositivi a base di silicio, come le celle solari meno costosi, avendo un silicio più puro grazie al processo di fabbricazione. Questa ricerca potrebbe anche portare a nuovi metodi per produrre nanofili di silicio: piccoli tubi che sono altamente conduttivi di calore e di elettricità.

In un documento del 2007 Buonassisi aveva previsto di indurre la fusione retrograda nel silicio, ma le condizioni necessarie per produrre un tale stato, il cui studio a livello microscopico, sono richiedono un’alta specializzazione e solo recentemente si sono rese disponibili. Per creare le giuste condizioni, Buonassisi e il suo team hanno dovuto adattare un microscopio "hot-stage" che ha permesso ai ricercatori di controllare con precisione la velocità di riscaldamento e raffreddamento. Per osservare ciò che stava accadendo realmente quando il materiale viene riscaldato e raffreddato, si basarono su fonti ad alta potenza di sincrotrone a base di raggi X presso il Lawrence Berkeley National Laboratory in California e presso Argonne National Laboratory in Illinois (ricercatori di entrambi i laboratori nazionali sono co -autori della carta).
Il materiale per i test consisteva in una sorta di sandwich composto da due sottili strati di silicio, con un ripieno di rame, nichel e ferro tra di loro. Questo veniva riscaldato per la prima volta abbastanza da far dissolvere i metalli nel silicio, ma sotto il punto di fusione di silicio. La quantità di metallo era tale che il silicio diventa una sovrasatura - cioè è stata sciolto nel silicio più del metallo che sarebbe normale possibile, in condizioni stabili. Ad esempio, quando un liquido viene riscaldato, si può sciogliere più di un altro materiale, ma poi quando è raffreddato, può diventare sovrasatura, fino a quando il materiale in eccesso precipita fuori. In questo caso, dove sono stati sciolti i metalli nel silicio, se si inizia il raffreddamento, si arriva a un punto in cui si induce la precipitazione in una fase liquida. Ed è 'a quel punto che il materiale si scioglie. (Da Renewable Energy)

 

 

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