Il silicio cristallino – materiale di elezione per la moderna microelettronica – è un semiconduttore inefficiente per le applicazioni energetiche, quali quelle legate alla conversione fotovoltaica di radiazione solare in energia elettrica. Ciò è dovuto alla natura indiretta della sua gap elettronica che, per motivi fisici fondamentali, limita la sua efficienza come materiale assorbitore/emettitore di luce.
Nell’ultima dozzina di anni, tuttavia, la ricerca fondamentale ha individuato una possibile prospettiva che potrebbe avvia-re lo sviluppo di una nuova tecnologia fotovoltaica di terza generazione a base silicio (così come una nuova tecnologia integrata micro-/opto-elettronica e fotonica): questa pro-spettiva si basa sui fenomeni di confinamento spaziale della funzione d’onda elettronica, così come osservati in nano-cristalli di silicio. Il confinamento spaziale modifica in modo radicale la struttura elettronica del nano-sistema, eliminan-do la presenza di una gap elettronica indiretta. Questo fatto contribuisce ad aumentare l’efficienza di assorbimento del materiale intrinseco.
In letteratura sono state proposte diverse procedure sperimentali per la formazione di nano-particelle confinate di silicio. Tra le principali, ricordiamo le nano-strutture presenti in silicio poroso, i superreticoli Si/SiO2, i nano-cri-stalli cresciuti con tecniche chimico-fisiche e, più di recente, i nano-cristalli confinati in matrice di ossido. Proprio questi ultimi sistemi si sono imposti in modo speciale all’attenzione
dei ricercatori perché non solo presentano numerosi van-taggi sperimentali nella fase di crescita, ma offrono anche la possibilità di coniugare il confinamento spaziale con il drogaggio1 operato tramite l’inserimento di ben determinate
specie, quali l’Erbio. Tramite opportuno drogaggio con Erbio è stata, infatti, dimostrata la possibilità di ottenere un signi-ficativo guadagno ottico in nano-cristalli di silicio. In sintesi, il confinamento spaziale della funzione d’onda aumenta l’assorbimento di fotoni e la contestuale presenza di Erbio offre canali efficienti per la ricombinazione radiativa2, alle
lunghezza d’onda di interesse tecnologico per l’optoelettroni-ca. Questo importante risultato è di rivoluzionaria importan-za applicativa perché apre la strada alla realizimportan-zazione di un laser ed alla microfotonica a base silicio.
L’interesse sperimentale per il silicio nano-cristallino ha giustificato una crescente attività di carattere teorico e computazionale. Quest’ultima, in particolare, ha visto attivo anche il gruppo di “Computational Materials Science” del CASPUR, attraverso la sua collaborazione istituzionale con il Dipartimento di Fisica dell’Università di Cagliari e del Labo-ratorio Regionale SLACS dell’Istituto Nazionale per la Fisica della Materia del CNR.
In particolare, l’attività computazionale del CASPUR ha riguardato diversi aspetti, sia di tipo algoritmico che di tipo applicativo; tra essi ricordiamo i più significativi:
Prof. Luciano Colombo@. Dipartimento di Fisica, Università di Cagliari e SLACS (INFM-CNR)
Materiali complessi per le tecnologie
dell’energia
1 Il drogaggio equivale ad inserire nella matrice cristallina di un semiconduttore ospite una prefissata quantità di una differente specie chimica. A sec-onda della specie inserita, il semiconduttore acquista una popolazione di portatori di carica elettrica negativa (drogaggio n) o positiva (drogaggio p), la cui densità è direttamente legata al numero di atomi droganti.
2 Si parla di ricombinazione radiativa quando un sistema elettronico decade da uno stato di energia superiore ad uno di energia inferiore, emettendo solo fotoni (processo ad efficienza quantica pari al 100%).
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• l’elaborazione di algoritmi di “reordering”, basati sull’efficiente espletamento dei principi di località spaziale e temporale; questi algoritmi, utilizzati per il
labeling di particelle3 in simulazioni atomistiche di
grossissima taglia, consentono di parallelizzare in modo estremamente efficace un codice di dinamica molecolare classica (secondo lo schema di domain decomposition4),
al contempo ottenendo un significativo abbattimento dei costi computazionali nella costruzione e gestione delle liste di interazione tra particelle.
• l’implementazione nell’ambito della libreria CMSapidi potenziali di ultima generazione per sistemi Si-O; i nuovi potenziali sono tipo di Tersoff, con esplicita inclusione degli effetti di dipendenza delle interazioni dal circondario. Questo potenziale sembra risolvere alcuni problemi che notoriamente affliggevano il modello di Tersoff originale fuori dalla configurazione di equilibrio. Inoltre, il nuovo potenziale estende la tipologia dei materiali simulabili all’ossido di silicio. Il nuovo potenziale è stato valutato criticamente tramite lo studio di silicio liquido ed amorfo, di interfacce silicio-ossido e di evoluzione microstrutturale di ossidi ricchi in silicio (cioè non stechiometrici).
• l’implementazione di un codice tight-binding basato
sulla libreria SCALAPACK, capace di diagonalizzare matrici hamiltoniane di grossissima taglia e finalizzato allo studio delle proprietà elettroniche e di assorbimento ottico di sistemi misti di silicio nano-cristallino ed amorfo. Questa attività di sviluppo è stata via via applicata allo studio di una vasta classe di fenomeni, tra i quali citiamo:
• la crescita di nano-cristalli di silicio in matrice di silicio amorfo;
• la formazione e l’evoluzione microstrutturale di nano- cristalli Si, prodotti per trattamento termico di ossidi non stechiometrici (cioè ricchi in silicio);
• la correlazione esistente tra assorbimento ottico e le proprietà strutturali del nano-cristalli di silicio;
• gli effetti di drogaggio con Erbio sulla luminescenza dei nano-cristalli (formazione di complessi Si-Er-O; gli effetti di struttura sui livelli elettronici di tali complessi; la precipitazione dei droganti con conseguente formazione di cluster di Er;
• il ruolo dell’interazione tra nano-cristalli confinati, sia in presenza che in assenza di drogaggio con Erbio.
I risultati raggiunti in queste attività sono stati oggetto di pubblicazioni nel corso del 2007 su riviste specializzate di settore, oltre che di presentazione a convegni.
Bibliografia Articoli
• Simone Meloni, Mario Rosati e Luciano Colombo, “Efficient particle labeling in atomistic simulations”, Journal of Chemical Physics126, 121102 (2007)
• Alessandro Mattoni e Luciano Colombo
“Nonuniform growth of embedded silicon nanocrystals into an amorphous matrix”, Physical ReviewLetters99 205501 (2007)
Presentazione a Congressi
• presentazione su invito (A. Mattoni) dal titolo “Modeling and understanding the interface kinetics in nanocrystalline systems”, International Workshop “Lase- rion 2007” (Schloss/Ringberg Tegernsee, Germany, 1-6 luglio, 2007)
• presentazione poster (L. Colombo) dal titolo “Efficient atomistic simulations through smart particle labelling“ al Simposio “Theory, Modeling, and Numeri cal Simulation of Multiphysics Materials Behavior” del Fall 2007 Materials Research Society (Boston, USA, 26-30 novembre 2007)
3 Si intende l’indirizzamento ad ogni singola particella presente nella cella di simulazione, capace di selezionare la specifica componente particellare negli array contenenti le posizioni, le velocità, e le accelerazioni.
4 Si tratta di una tecnica standard di parallelizzazione di un codice di dinamica molecolare in cui ad ogni processore viene dato in carico di generare le traiettorie degli atomi appartenenti solo ad un certo dominio spaziale entro il sistema totale. La comunicazione tra processori interessa lo scambio di informazione fisica pertinente agli atomi prossimi ai bordi tra domini.
Fig.1 Crescita di nanocristalliti di silicio immersi in matrice di silicio amorfo (quadro A), sino a formare un sistema di silicio nano-cristallino con bordi di grano (quadro B). La simulazione atomistica qui rappresentata ha contenuto dell’ordine di 105 atomi ed ha avuto durata pari ad alcuni nanosecondi (corrispondenti ad alcuni milioni di passi di dinamica molecolare).
(Immagine elaborata su dati gentilmente forniti da A. Mattoni del Laboratorio SLACS, CNR-INFM, Cagliari).
A B C
CMSapi
(CASPUR Materials Science application pro-gram interface) è una libreria che fornisce moduli per il rapido sviluppo di codici effi-cienti per la simulazione atomistica basata sui potenziali classici e tight-binding. Tra le principali funzionalità disponibili in CMSapi segnaliamo i moduli per l’integrazione sim-plettica delle equazioni del moto in diversi ensembles termodinamici (NVE, NVT, NPH, NPT), diversi schemi per il calcolo delle liste d’integrazione ed il supporto ai principali po-tenziali modelli d’interesse per la Scienza dei Materiali Computazionale. CMSapi è scritta in C e le sue funzionalità possono essere utiliz-zati da codici C/C++ e Fortran.
