Rückwärtsschmelzen

Stellen Sie sich einen winterlichen Tag vor, an dem jeder Bürgersteig und jeder Baumzweig in Sichtweite vereist ist. Dann sinkt die Temperatur und das Eis beginnt zu schmelzen. Eis verhält sich natürlich nie so. Aber manche Materialien werden mit zunehmender Kälte tatsächlich von fest zu flüssig, ein Phänomen, das als retrogrades Schmelzen bekannt ist. Ein MIT-Team hat diesen bizarren, rückwärtsgewandten Prozess nun in einem der gebräuchlichsten und nützlichsten Materialien um uns herum beobachtet: Silizium, das Element, aus dem die meisten Solarzellen und Computerchips hergestellt werden.

Eine andere Art von Schmelzen Ein winziger Siliziumchip (das orange leuchtende Quadrat im Zentrum dieses speziellen Heizgeräts), der mit metallischen Verunreinigungen übersättigt ist, durchläuft nach dem Erhitzen und anschließenden sehr langsamen Abkühlen einen retrograden Schmelzprozess.

Silizium schmilzt normalerweise bei 1.414 °C. Forscher fanden jedoch heraus, dass ein mit geringen Mengen Kupfer, Nickel und Eisen verunreinigter Siliziumwafer beim Abkühlen unter 900 °C eine matschige Mischung aus festem und flüssigem Material bildete. Bei diesen Temperaturen ist es möglich, das Verhalten von Silizium während des Schmelzens mit einer speziellen Röntgenfluoreszenz-Mikrosonde zu beobachten. Die Entdeckung hat einige potenziell praktische Implikationen und kann zu nützlichen neuen Methoden zur Reinigung des Materials führen.

Der Befund wurde in einem in diesem Jahr veröffentlichten Artikel beschrieben Fortgeschrittene Werkstoffe von Tonio Buonassisi, einem Assistenzprofessor für Maschinenbau und Fertigung, zusammen mit Steve Hudelson, SM ‘09, und Postdoktorandin Bonna Newman, PhD ‘08.

Sie diffundierten zunächst Kupfer, Nickel und Eisen in reines Silizium und erhitzten die Mischung auf 1140 °C, deutlich unter dem Schmelzpunkt von Silizium, aber heiß genug, um eine Lösung der Metalle im Silizium herzustellen. Durch schnelles Abkühlen der Mischung war das Silizium übersättigt – das heißt, es enthielt mehr gelöstes Metall als normalerweise möglich wäre, genauso wie Soda in einer Flasche mehr Kohlendioxid enthält, als die Flüssigkeit bei normalem Druck außerhalb der Flasche halten würde. Aber als die Forscher das Material wieder erhitzten und es langsamer abkühlen ließen, bildeten sich flüssige Tröpfchen aus Metall und Silizium inmitten des festen Materials. Man erreicht einen Punkt, an dem man Niederschlag induziert, und er hat keine andere Wahl, als in einer flüssigen Phase auszufallen, sagt Buonassisi.

Die Forscher fanden heraus, dass Verunreinigungen – in diesem Fall das zugesetzte Kupfer, Nickel und Eisen, die normalerweise in Silizium vorkommenden Hauptverunreinigungen – dazu neigten, in die Flüssigkeit zu wandern. Die Ausnutzung dieses Phänomens könnte es ermöglichen, billigere Siliziumqualitäten für Geräte wie Solarzellen zu verwenden, da das Material während des Herstellungsprozesses gereinigt werden könnte. Wenn man in einem Siliziumblock kleine Flüssigkeitströpfchen erzeugen kann, so Buonassisi, dienen sie wie kleine Staubsauger, um Verunreinigungen aufzusaugen. Die Tröpfchen verfestigen sich dann, halten die konzentrierten Verunreinigungen zurück und hinterlassen den Rest des Materials reiner.

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