Silício
O silício é o material sobre o qual repousa toda a eletrônica — e, na neutrinovoltaica, ele forma uma das metades do empilhamento, cuja outra metade é o grafeno.
O segundo elemento mais abundante da crosta terrestre
Depois do oxigênio, o silício é, com cerca de 28 por cento, o componente mais frequente da crosta terrestre. Ele está na areia comum, no quartzo, em quase toda rocha.
Puro, no entanto, ele nunca ocorre na natureza. O caminho da areia até o cristal semicondutor é um dos mais trabalhosos da indústria: redução em forno a arco elétrico, purificação por meio de triclorossilano e, por fim, o puxamento de um monocristal pelo método de Czochralski. Para a microeletrônica exige-se uma pureza de 99,9999999 por cento — para um bilhão de átomos de silício há no máximo um átomo estranho.
Por que justamente o silício
A razão é a banda proibida. Em um sólido, os elétrons só podem assumir determinadas energias; entre a banda de valência preenchida e a banda de condução vazia abre-se, em um semicondutor, uma lacuna. No silício ela é de 1,12 elétron-volt.
Esse valor é felizmente escolhido — não por seres humanos, mas pela natureza. Ele é grande o bastante para que o movimento térmico à temperatura ambiente não eleve constantemente elétrons para o outro lado, e pequeno o bastante para que isso possa ser feito de forma seletiva: por luz, por um campo elétrico, por átomos estranhos introduzidos.
É precisamente nisso que se baseiam o transistor, a célula solar e o sensor de imagem.
Dopagem
Se se introduzem átomos estranhos na rede cristalina, o comportamento muda de forma fundamental.
O fósforo tem um elétron externo a mais que o silício. O elétron excedente não encontra parceiro de ligação e torna-se móvel — fala-se de dopagem do tipo n.
O boro tem um a menos. Surge uma lacuna que se comporta como uma carga positiva — dopagem do tipo p.
Se se juntam ambas as regiões, surge uma junção p-n, e ela deixa passar corrente apenas em uma direção. Essa retificação é o núcleo de toda a técnica de semicondutores — e é também o ponto em que a neutrinovoltaica se apoia.
O silício na neutrinovoltaica
A patente WO2016142056A1 descreve uma folha sobre a qual grafeno e silício estão depositados de forma alternada — dez a vinte camadas, em particular doze. A proporção de silício é indicada como de 10 a 80 por cento, com preferência especial por 25 por cento. O tamanho das partículas deve situar-se entre 5 e 500 nanômetros.
Essa indicação de tamanho é a parte interessante. O silício na escala nanométrica comporta-se de modo diferente de um cristal maciço: a banda proibida se desloca, a relação entre superfície e volume torna-se muito grande e as interfaces ganham importância em relação ao interior.
O papel que cabe ao silício na exposição do grupo é o de meio condutor: ele recebe o movimento gerado na rede de grafeno e o transmite ao material de suporte. O grafeno fornece a estrutura; o silício, o caminho para a carga.
A diferença em relação à célula solar
Uma célula solar também emprega silício, mas de outro modo. Ali, um fóton incidente eleva um elétron acima da banda proibida; sem luz, nada acontece. A célula é uma superfície, e seu rendimento cresce com essa superfície.
A equação mestra da neutrinovoltaica, em contrapartida, integra sobre o volume. O rendimento deve, portanto, crescer com o número de camadas, e não com a superfície iluminada. Isso está exposto de forma mais detalhada na página a fotovoltaica em comparação.
Outros usos
O silício é, além disso, o material de muitos detectores de neutrinos. Detectores semicondutores de silício ou de germânio de alta pureza medem energias com muita precisão — eles estão por trás da busca pelo duplo decaimento beta sem neutrinos e por trás dos pequenos detectores para o espalhamento coerente em núcleos atômicos.
Com isso, o mesmo elemento aparece nos dois lados deste wiki: como ferramenta para medir neutrinos e como material de construção na tentativa de obter energia a partir deles.
Termos relacionados
- Grafeno — a outra metade do empilhamento
- Grafeno dopado
- Patente WO2016142056A1 — as indicações de proporção
- A fotovoltaica em comparação
Fontes
- WIPO: WO 2016/142056 A1, reivindicações sobre composição e tamanho de partícula.
- Neutrino® Energy Group: Neutrinovoltaic, neutrino-energy.com.