CE50 - Sciences de base pour l’énergie

Silicium exotique : films de clathrates de silicium – EXOSIL

Silicium exotique : films de clathrates de silicium

Un matériau novateur à fort potentiel applicatif dans le domaine de l'énergie

Enjeux et objectifs

Différentes formes de silicium sont utilisées dans l’industrie, cristallin, multicristallin et amorphe. Nous proposons ici de travailler sur une nouvelle forme de Si en film, les clathrates de Si. Ils ressemblent aux fullerènes à base de carbone car ils forment des sphères creuses. Les propriétés électroniques et optiques de ces clathrates sont très différentes du Si « standard » (bandgap direct) et ouvrent la voie vers de nouvelles applications en électronique et optoélectronique, mais aussi potentiellement dans les batteries ou le stockage d’hydrogène. Une partie importante du projet sera de moduler les propriétés des films de clathrates de Si en jouant sur les procédés de fabrication. Ces films seront analysés par une variété de techniques structurales, optiques, électriques et de surface. En particulier, la taille des clathrates mais aussi la présence d’atomes dopants peuvent modifier fortement leurs propriétés.

Le travail est divisé en cinq lots (workpackages WP).
Le WP1 est dédié à la synthèse de SCF avec différents matériaux de départ comme le silicium mono, poly-crystallin et le silicium amorphe. Les substrats peuvent être du silicium du verre ou du saphir. Les propriétés structurales et la pureté des phases seront étudiées, par exemple par diffraction des rayons X (XRD), la microscopie électronique à balayage (SEM), la spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford (RBS) et la microscopie électronique en transmission (TEM), techniques qui sont disponibles dans le consortium. Les paramètres expérimentaux comme les conditions de recuit devront être optimisées pour obtenir les bonnes phases de silicium, ce qui sera évalué dans le WP2 avec les caractérisations optiques électriques et de surface. Les propriétés optiques seront étudiées par spectrophotométrie UV-visible, par ellipsométrie spectroscopique, par photoluminescence (PL) et temps de vie de photoluminescence. Le WP3 est dédié à l’optimisation et la variation des propriétés électriques des SCF. Ceci peut être réalisé en utilisant des matériaux de départ dopés (comme du silicium dopé au bore ou au phosphore) ou en dopant les SCF après fabrication par implantation ionique, ou spin coating ou diffusion de dopant à partir d’une phase gazeuse. Les propriétés optiques et optoélectroniques seront déterminées par ECV (electrochemical capacitance voltage), effet Hall, résistivité en fonction de la température, surface photovoltage et quasi-steady-state photoconductance. Le WP4 sera dédié à la fabrication de premiers dispositifs, comme une jonction pn pour les LEDs, photodétecteurs ou cellules solaires. Le choix de matériaux permettant un contact ohmique est crucial et sera étudié en mesurant le travail de sortie pour différents types de métallisation. Le WP5 consiste en des simulations qui aideront à évaluer les propriétés les plus intéressantes des clathrates en vue d’applications et de dispositifs. Il comprend des calculs ab initio de la structure électronique, et des simulations avec des logiciels tels que AFORS-HET et SCAPS pour prédire le rendement de conversion de cellules solaires basées sur les SCF.

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Différentes formes de silicium sont utilisées dans l’industrie, cristallin, multicristallin et amorphe. Nous proposons ici de travailler sur une nouvelle forme de Si en film, les clathrates de Si. Ils ressemblent aux fullerènes à base de carbone car ils forment des sphères creuses. Les propriétés électroniques et optiques de ces clathrates sont très différentes du Si « standard » (bandgap direct) et ouvrent la voie vers de nouvelles applications en électronique et optoélectronique, mais aussi potentiellement dans les batteries ou le stockage d’hydrogène. Une partie importante du projet sera de moduler les propriétés des films de clathrates de Si en jouant sur les procédés de fabrication. Ces films seront analysés par une variété de techniques structurales, optiques, électriques et de surface. En particulier, la taille des clathrates mais aussi la présence d’atomes dopants peuvent modifier fortement leurs propriétés.

Coordination du projet

Thomas FIX (Université Strasbourg)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ICube Université Strasbourg
INL Institut National des Sciences Appliquées Lyon
IPCMS Centre national de la recherche scientifique

Aide de l'ANR 364 386 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2022 - 36 Mois

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