Simulazioni al molecular dynamics svelano la formazione del silicio monocristallino in stampa laser LIFT
Un gruppo di ricerca dell’University of Arkansas, guidato da Youwen Liang e Wan Shou, ha utilizzato simulazioni al molecular dynamics (MD) per esplorare come piccole gocce di silicio si cristallizzino durante la stampa con tecnologia Laser-Induced Forward Transfer (LIFT). LIFT consiste nell’utilizzo di un laser pulsato per proiettare, direttamente da una pellicola sorgente, piccole quantità di materiale verso un substrato, permettendo la deposizione di metalli, polimeri e semiconduttori con risoluzione micro- e nanoscalare. I risultati, raccolti in un preprint su arXiv, mettono in evidenza il ruolo determinante delle dimensioni delle nanoparticelle e della velocità di raffreddamento nella capacità del silicio di solidificarsi in strutture monocristalline durante il volo.
Dimensioni delle gocce e velocità di raffreddamento: i fattori chiave
Le simulazioni hanno dimostrato che particelle di silicio di diametro inferiore a 4 nanometri non raggiungono mai una vera cristallizzazione, rimanendo in uno stato amorfo anche con raffreddamento lento. Al contrario, particelle comprese tra 8 e 12 nanometri mostrano un rilascio di calore latente e un progressivo ordinamento strutturale tipico della formazione di un cristallo. Utilizzando parametri quali la funzione di distribuzione radiale (RDF), il numero di coordinazione e lo spostamento quadratico medio (MSD), il team ha potuto seguire l’evoluzione atomica dalla fase liquida a quella solida.
Nucleazione sotto la superficie
Uno degli aspetti più interessanti emersi dallo studio è che la cristallizzazione non inizia mai sulla superficie esterna della goccia, bensì in una regione sottosuperficiale a circa 5 Å dall’involucro esterno. In questa zona, le prime cellule di grafitazione si formano in un substrato ancora parzialmente mobile, quindi migrano verso il centro della particella, dove la crescita cristallina accelera. La mobilità residua degli atomi superficiali, che mantengono un grado di disordine anche a basse temperature, suggerisce percorsi di miglioramento per il controllo termico durante la deposizione LIFT.
Applicazioni per l’additive manufacturing di semiconduttori
Questa capacità di ottenere singoli cristalli di silicio direttamente in volo potrebbe aprire la strada alla stampa on-demand di materiali semiconduttori ad alte prestazioni, superando alcune limitazioni di tecniche quali la litografia o l’epitassia. La possibilità di depositare in modo mirato e localizzato vere strutture monocristalline offre un potenziale significativo per l’elettronica avanzata e i dispositivi fotonici.
Contesto più ampio: controllo della cristallizzazione in stampa 3D
Il lavoro dell’University of Arkansas si inserisce in un filone di indagini sul controllo della cristallizzazione nei processi additivi. Nel settore delle materie plastiche, l’Air Force Research Laboratory ha collaborato con Cornell University e Boeing per monitorare in tempo reale la formazione dei cristalli di PEEK (polyether ether ketone) durante la stampa FFF (Fused Filament Fabrication). Utilizzando la tecnica WAXS (Wide-Angle X-ray Scattering) con micro-fasci di sincrotrone, gli scienziati hanno mappato su scala bidimensionale la nascita dei nuclei cristallini nei secondi successivi all’estrusione, dimostrando che temperature del piano di stampa più elevate ritardano l’innesco ma aumentano il grado di cristallinità finale, con evidenti benefici meccanici.
Nel campo dei metalli, ricercatori giapponesi hanno sperimentato la produzione di nichel monocristallino tramite Selective Laser Melting (SLM). Regolando parametri di potenza laser e profilo del fascio, hanno ottenuto strutture omogenee senza l’uso di un seme cristallino preesistente, un risultato di particolare interesse per componenti aerospaziali, come le palette di turbine soggette a temperature estreme.
Prospettive di ricerca e sviluppo
Il modello di simulazione MD applicato al silicio in LIFT fornisce un quadro atomistico della nucleazione e della crescita cristallina, imprescindibile per la progettazione di protocolli sperimentali futuri. Validare questi risultati in laboratorio e trasferire le condizioni di dimensione delle gocce e profili di raffreddamento al set-up sperimentale rappresenta il passo successivo per integrare la stampa 3D di semiconduttori monocristallini nelle linee di produzione. Il cammino prosegue verso materiali stampati con precisione atomica e performance ottiche e elettroniche paragonabili a quelle ottenute con metodi convenzionali.
