Fondu à l'envers

Imaginez une journée d'hiver avec du glaçage sur chaque trottoir et branche d'arbre en vue. Puis la température chute et la glace commence à fondre. La glace, bien sûr, ne se comporte jamais de cette façon. Mais certains matériaux passent vraiment du solide au liquide lorsqu'ils se refroidissent, un phénomène connu sous le nom de fonte rétrograde. Une équipe du MIT a maintenant observé ce processus étrange et rétrograde dans l'un des matériaux les plus courants et les plus utiles qui nous entourent : le silicium, l'élément utilisé pour fabriquer la plupart des cellules solaires et des puces informatiques.

Un autre type de fonte Une minuscule puce de silicium (le carré orange brillant au centre de ce dispositif de chauffage spécial), ayant été sursaturée de contaminants métalliques, subit un processus de fusion rétrograde après avoir été chauffée puis refroidie très lentement.

Le silicium fond normalement à 1414 °C. Mais les chercheurs ont découvert qu'une plaquette de silicium contaminée par de petites quantités de cuivre, de nickel et de fer formait un mélange boueux de matière solide et liquide en refroidissant en dessous de 900 °C. À ces températures, il est possible d'observer le comportement du silicium pendant la fusion, à l'aide d'une microsonde à fluorescence X spécialisée. La découverte a des implications potentiellement pratiques et peut conduire à de nouvelles méthodes utiles de purification du matériau.

La découverte a été décrite dans un article publié cette année dans Matériaux avancés par Tonio Buonassisi, professeur adjoint de génie mécanique et de fabrication, avec Steve Hudelson, SM '09, et la boursière postdoctorale Bonna Newman, PhD '08.

Ils ont d'abord diffusé du cuivre, du nickel et du fer dans du silicium pur et ont chauffé le mélange à 1 140 °C, bien en dessous du point de fusion du silicium mais suffisamment chaud pour produire une solution des métaux dans le silicium. Le refroidissement rapide du mélange a laissé le silicium sursaturé, c'est-à-dire qu'il contenait plus de métal dissous que ce qui serait normalement possible, tout comme la soude dans une bouteille contient plus de dioxyde de carbone que le liquide n'en contiendrait à la pression ordinaire à l'extérieur de la bouteille. Mais lorsque les chercheurs ont réchauffé le matériau et l'ont laissé refroidir plus lentement, des gouttelettes liquides de métal et de silicium se sont formées au milieu du matériau solide. Vous atteignez un point où vous induisez des précipitations et elles n'ont d'autre choix que de précipiter en phase liquide, dit Buonassisi.

Les chercheurs ont découvert que les impuretés – dans ce cas, le cuivre, le nickel et le fer ajoutés, qui sont les principales impuretés normalement présentes dans le silicium – avaient tendance à migrer vers le liquide. L'exploitation de ce phénomène pourrait permettre d'utiliser des qualités de silicium moins chères pour des dispositifs tels que les cellules solaires, car le matériau pourrait être purifié au cours du processus de fabrication. Si vous pouvez créer de petites gouttelettes de liquide à l'intérieur d'un bloc de silicium, dit Buonassisi, elles servent de petits aspirateurs pour aspirer les impuretés. Les gouttelettes se solidifient alors, retenant les impuretés concentrées et laissant le reste de la matière plus pur.

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