Only Perception: 鋁：低溫結晶矽的組織者

2008-04-22

鋁：低溫結晶矽的組織者

An organizer for silicon
http://www.physorg.com/news128002847.html

April 21, 2008

組織者讓生活更容易；鋁在低溫下能幫助半導體產業將矽從雜亂無章轉變成有條理的形態。例如，這種結晶矽在太陽能電池中作用更有效率。然而到目前為止，只有在高溫下才有可能製造它，故它也無法應用到對熱敏感的材料，例如塑膠或紙上。

德國 Stuttgart，Max Planck Institute of Metals Research 的科學家，現在找到了一種方法有系統地降低矽的結晶化溫度 -- 從攝氏 700 度降到 150 度，並且可在這個範圍內的任何一點。他們藉由添加薄薄的一層鋁到雜亂的矽上，成功的辦到這件事。這薄薄的一層決定了結晶化的溫度。研究者也解釋為何會發生這件事。些發現將協助將太陽能電池與其他電子元件在更便宜與有彈性的材料上加工製造，例如：玻璃、塑膠或甚至紙。(Physical Review Letters, 27 March 2008)

矽是半導體產業中特選的材料。有時它需要在一種結晶的形態中，而有時則在非結晶態（amorphous）中，亦即，一種混亂的形式。因為晶片與太陽能電池的應用範圍如此廣泛；作為半導體載體的材料、它們的運作溫度都會相應地多變化。業界也因此喜歡能在矽形成結晶的溫度下謹慎地操縱。大多數人都想要降低這種溫度，使半導體材料能在熱敏感材料上結晶。然而，有時候他們想要避免矽從非結晶態轉變成結晶態。

長久以來即知，當一種半導體與不同的金屬接觸時，它的結晶化溫度會改變。"我們首度利用這種效應，透過覆蓋一層鋁結晶，以便設定矽的結晶化溫度，" Lars Jeurgens 說，在 Eric J. Mittemeijer 部門涉及此研究的研究者之一。當各層厚度比 20 奈米厚，就有可能讓它低於攝氏 200 度。當各層更細時，溫度會顯著上升。

僅有 Stuttgart 的科學家能如此精確地控制溫度，因為它們已預先被澄清是基於何種效應，以及那如何在理論上被描述。已知，鋁層能減弱矽原子間的鍵結。對它們來說，也因此更容易以一種有條理的形式重新安排自身，那有降低矽塊能量的效果。如果這裡沒有鋁層放鬆非結晶矽當中的鍵結，需要攝氏 700 度才能使它們斷裂。

降低結晶化溫度的鋁層厚度會到哪種程度，依賴由矽塊與鋁層在系統中所形成的能量比例。箴言是：每件事均完成以節省能源。在矽與鋁界面之間的能量扮演一種重要角色。為了降低這個系統的總能量，矽原子首先讓自身以一種混亂的方式在鋁顆粒（grain）邊界就定位。如果它們要安排自己，在二種不同且堅固的結晶晶格中，那將是種耗能的緊張局勢。

雖然最初聽起來不是那麼一回事，不過這鼓勵矽形成結晶 -- 儘管有些迂迴。一旦當薄、混亂的矽層在鋁顆粒邊界上形成，這裡有另一種機會節能：矽原子會整齊地安排它們自己，成為結晶體。結晶化能量對界面能量的比率，在此具決定性，因為它決定了溫度，在此覆蓋的矽層開始形成結晶體。Stuttgart 的研究者藉由改變鋁層厚度，慎重地操縱這種微妙的平衡。

在這些研究中，研究者最初集中在結晶化開始的的那一瞬間。在那之後發生了什麼事仍尚未完全被解釋。在此過程期間，結晶矽會逐步替代（ displaces）鋁層。鋁原子會穿越結晶矽並在矽塊底層聚集。為什麼它們會這樣做，還有到底發生了什麼事，現在正由 Eric. J. Mittemeijer 部門的材料科學家調查中。

※ 相關報導

＊ Tailoring the Ultrathin Al-Induced Crystallization Temperature of Amorphous Si by Application of Interface Thermodynamics
http://link.aps.org/abstract/PRL/v100/e125503

Z. M. Wang, J. Y. Wang, L. P. H. Jeurgens, and
E. J. Mittemeijer
Phys. Rev. Lett. 100, 125503 (2008)
doi: 10.1103/PhysRevLett.100.125503

＊ Thermodynamics and mechanism of metal-induced crystallization in immiscible alloy systems: Experiments and calculations on Al/a-Ge and Al/a-Si bilayers
http://link.aps.org/abstract/PRB/v77/e045424