Плавление кремния

Подобно кубику льда в жаркий день, большинство материалов плавится (т.е. переходит из твердого состояния в жидкое) при повышении температуры. Но некоторые из них ведут себя весьма странно – тают при охлаждении. Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) показали, что кремний, который столь широко используется в производстве микросхем и солнечных батарей, тоже может обладать этим необычным свойством «ретроградного плавления».

Кремний, содержащий значительное количество примесей (меди, никеля и железа), превращается в некоторое подобие слякоти – смесь материалов в твердой и жидкой фазе – при охлаждении до 900 ⁰С, тогда как температура плавления чистого кремния – 1414 ⁰С. Более низкие температуры плавления позволили наблюдать поведение материала при переходе из твердого состояния в жидкое с помощью рентгенофлуоресцентного анализа (РФА).

В полученном материале примеси мигрировали в жидкие зоны, покидая твердый кремний. Это свойство могло бы быть использовано при изготовлении многих устройств на основе кремния. Иногда даже небольшое количество примесей может значительно ухудшить работу устройства. Но если удастся получить внутри кремниевого блока небольшие капли жидкости, которые способны поглощать примеси, можно будет использовать менее чистый и, следовательно, более дешевый кремний, который будет очищаться в ходе технологического процесса.

Возможность возникновения ретроградного плавления кремния была предсказана в 2007 году. Но спектр условий, при которых можно наблюдать это явление, очень узок. Создать эти условия и пронаблюдать процесс на микроскопическом уровне удалось только сейчас.

Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.

Для наблюдения за нагревом и охлаждением материала исследователи использовали модифицированный вариант высокотемпературного микроскопа, позволяющий точно отрегулировать скорость нагрева и охлаждения в камере. Изменения, происходящие в веществе при переходе из твердого состояния в жидкое, фиксировались при помощи РФА. Источником рентгеновского излучения в данном случае выступал мощный синхротрон.

Исследуемый материал представлял собой некоторое подобие пирога: между двумя слоями кремния была помещена «начинка» из меди, железа и никеля. Сначала «пирог» нагревали до температуры, при которой молекулы «начинки» проникали в кремний (ниже точки плавления кремния). В результате в кремнии было растворено большее количество примесей, чем это возможно в обычных условиях. Нечто подобное происходит при растворении соли в нагретой воде: горячая жидкость может «вместить» большее количество примесей, а при охлаждении «лишняя» соль не всегда выпадает в осадок – образуется перенасыщенный раствор.

В случае, когда металлы растворяются в твердом кремнии, процесс последующего охлаждения рано или поздно приводит в температурную точку, ниже которой должен образоваться «осадок». Твердый кремний оказывается в весьма непростой (с энергетической точки зрения) ситуации: с одной стороны, до точки плавления далеко, а с другой – надо же куда-то девать все эти примеси. И выходом из этой ситуации оказывается формирование локальных жидких зон, в которые и выводятся примеси.

Исследование позволяет по-новому взглянуть на взаимодействие переходных металлов и их структурных дефектов. Но по-прежнему остается немало вопросов к ученым. Например, насколько стабильны жидкие включения в кремнии и смогут ли они удержать все примеси в ходе производственного процесса?