Револуционерен нов материјал – црн силикон
Црниот силициум е нов вид силициумски материјал со одлични оптоелектронски својства. Оваа статија ја сумира истражувачката работа на црниот силициум од страна на Ерик Мазур и други истражувачи во последниве години, детално опишувајќи го механизмот за подготовка и формирање на црниот силициум, како и неговите својства како што се апсорпција, луминисценција, емисија на поле и спектрален одговор. Исто така, ги истакнува важните потенцијални примени на црниот силициум во инфрацрвени детектори, соларни ќелии и рамни екрани.
Кристалниот силициум е широко користен во полупроводничката индустрија поради неговите предности како што се леснотијата на прочистување, леснотијата на допирање и отпорноста на високи температури. Сепак, тој има и многу недостатоци, како што е високата рефлективност на видливата и инфрацрвената светлина на неговата површина. Понатаму, поради неговиот голем енергетски јаз,кристален силициумне може да апсорбира светлина со бранови должини поголеми од 1100 nm. Кога брановата должина на инцидентната светлина е поголема од 1100 nm, апсорпцијата и стапката на одговор на силициумските детектори се значително намалени. Други материјали како што се германиум и индиум галиум арсенид мора да се користат за откривање на овие бранови должини. Сепак, високата цена, лошите термодинамички својства и квалитетот на кристалите, како и некомпатибилноста со постојните зрели силициумски процеси, ја ограничуваат нивната примена во уреди базирани на силициум. Затоа, намалувањето на рефлексијата на кристалните силициумски површини и проширувањето на опсегот на бранова должина на детекција на фотодетектори базирани на силициум и компатибилни со силициум останува жешка тема на истражување.
За да се намали рефлексијата на површините на кристалниот силициум, се користат многу експериментални методи и техники, како што се фотолитографија, реактивно јонско јонизирање и електрохемиско јонизирање. Овие техники можат, до одреден степен, да ја променат површинската и морфологијата близу до површината на кристалниот силициум, со што се намалувасиликон површинска рефлексија. Во опсегот на видлива светлина, намалувањето на рефлексијата може да ја зголеми апсорпцијата и да ја подобри ефикасноста на уредот. Меѓутоа, на бранови должини што надминуваат 1100 nm, ако не се внесат нивоа на енергија на апсорпција во силициумскиот појас, намалената рефлексија води само до зголемен пренос, бидејќи појасниот јаз на силициумот на крајот ја ограничува неговата апсорпција на светлина со долга бранова должина. Затоа, за да се прошири чувствителниот опсег на бранови должини на уреди базирани на силициум и уреди компатибилни со силициум, потребно е да се зголеми апсорпцијата на фотони во рамките на појасниот јаз, а истовремено да се намали површинската рефлексија на силициумот.
Кон крајот на 1990-тите, професорот Ерик Мазур и други на Универзитетот Харвард добија нов материјал - црн силициум - за време на нивното истражување за интеракцијата на фемтосекундните ласери со материјата, како што е прикажано на Слика 1. Додека ги проучуваа фотоелектричните својства на црниот силициум, Ерик Мазур и неговите колеги беа изненадени кога открија дека овој микроструктуриран силициумски материјал поседува уникатни фотоелектрични својства. Тој апсорбира речиси целата светлина во близок ултравиолетов и близок инфрацрвен опсег (0,25–2,5 μm), покажувајќи одлични карактеристики на видлива и близок инфрацрвена луминисценција и добри својства на емисија на поле. Ова откритие предизвика сензација во полупроводничката индустрија, при што големите списанија се натпреваруваа да известуваат за него. Во 1999 година, списанијата Scientific American и Discover, во 2000 година научната рубрика на Los Angeles Times и во 2001 година списанието New Scientist објавија статии во кои се дискутираше за откривањето на црниот силициум и неговите потенцијални примени, верувајќи дека има значителна потенцијална вредност во области како што се далечинско набљудување, оптички комуникации и микроелектроника.
Моментално, Т. Самет од Франција, Аноифе М. Молони од Ирска, Жао Ли од Универзитетот Фудан во Кина и Мен Хаининг од Кинеската академија на науките спроведоа обемни истражувања за црниот силициум и постигнаа прелиминарни резултати. SiOnyx, компанија во Масачусетс, САД, дури собра 11 милиони долари ризичен капитал за да служи како платформа за развој на технологија за други компании и започна со комерцијално производство на црни силициумски плочки базирани на сензори, подготвувајќи се да ги користи готовите производи во инфрацрвени системи за снимање од следната генерација. Стивен Сејлор, извршен директор на SiOnyx, изјави дека ниската цена и предностите на високата чувствителност на технологијата на црн силициум неизбежно ќе го привлечат вниманието на компаниите фокусирани на пазарите за истражување и медицинско снимање. Во иднина, таа може дури и да влезе на пазарот на дигитални фотоапарати и видеокамери вредни повеќе милијарди долари. SiOnyx исто така моментално експериментира со фотоволтаичните својства на црниот силициум и многу е веројатно декацрн силиконќе се користи во сончеви ќелии во иднина. 1. Процес на формирање на црн силициум
1.1 Процес на подготовка
Монокристалните силициумски плочки се чистат секвенцијално со трихлороетилен, ацетон и метанол, а потоа се поставуваат на тридимензионално подвижна целна фаза во вакуумска комора. Основниот притисок на вакуумската комора е помал од 1,3 × 10⁻² Pa. Работниот гас може да биде SF₆, Cl₂, N₂, воздух, H₂S, H₂, SiH₄, итн., со работен притисок од 6,7 × 10⁴ Pa. Алтернативно, може да се користи вакуумска средина или елементарни прашоци од S, Se или Te може да се премачкаат на површината на силиконот во вакуум. Целната фаза може да се потопува и во вода. Фемтосекундните импулси (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) генерирани од Ti:sapphire ласерски регенеративен засилувач се фокусираат од леќа и се озрачуваат нормално на површината на силициумот (излезната енергија на ласерот е контролирана од атенуатор, кој се состои од полубранова плоча и поларизатор). Со поместување на целната фаза за скенирање на површината на силициумот со ласерската точка, може да се добие црн силиконски материјал со голема површина. Промената на растојанието помеѓу леќата и силиконската плочка може да ја прилагоди големината на светлосната точка озрачена на површината на силициумот, со што се менува ласерскиот флуенс; кога големината на точката е константна, менувањето на брзината на движење на целната фаза може да го прилагоди бројот на импулси озрачени на единица површина од површината на силициумот. Работниот гас значително влијае на обликот на микроструктурата на површината на силициумот. Кога работниот гас е константен, менувањето на ласерскиот флуенс и бројот на импулси примени по единица површина може да ја контролира висината, соодносот на ширина и висината и растојанието на микроструктурите.
1.2 Микроскопски карактеристики
По фемтосекундно ласерско зрачење, првично мазната површина на кристален силициум покажува низа од квази-правилно распоредени ситни конусни структури. Врвовите на конусите се на иста рамнина како и околната неозрачена површина на силициум. Обликот на конусната структура е поврзан со работниот гас, како што е прикажано на Слика 2, каде што конусните структури прикажани во (а), (б) и (в) се формирани во SF₆, S и N₂ атмосфери, соодветно. Сепак, насоката на врвовите на конусите е независна од гасот и секогаш покажува во насоката на инциденцата на ласерот, не е под влијание на гравитацијата, а исто така е независна од типот на допир, отпорноста и кристалната ориентација на кристалниот силициум; основите на конусите се асиметрични, со нивната кратка оска паралелна со насоката на ласерската поларизација. Конусните структури формирани во воздух се најгруби, а нивните површини се покриени со уште пофини дендритични наноструктури од 10-100 nm.
Колку е поголема ласерската флуенца и колку е поголем бројот на импулси, толку повисоки и пошироки стануваат конусните структури. Во SF6 гасот, висината h и растојанието d на конусните структури имаат нелинеарна врска, која може приближно да се изрази како h∝dp, каде што p=2,4±0,1; и висината h и растојанието d значително се зголемуваат со зголемување на ласерската флуенца. Кога флуенцата се зголемува од 5 kJ/m² на 10 kJ/m², растојанието d се зголемува за 3 пати, а во комбинација со врската помеѓу h и d, висината h се зголемува за 12 пати.
По жарење на висока температура (1200 K, 3 часа) во вакуум, конусните структури нацрн силиконне се промени значително, но дендритичните наноструктури од 10–100 nm на површината беа значително намалени. Спектроскопијата на јонско канализирање покажа дека нередот на конусната површина се намалил по жарењето, но повеќето од нередните структури не се промениле под овие услови на жарење.
1.3 Механизам на формирање
Во моментов, механизмот на формирање на црн силициум не е јасен. Сепак, Ерик Мазур и сор. шпекулираа, врз основа на промената во обликот на микроструктурата на површината на силициумот со работната атмосфера, дека под стимулација на фемтосекундни ласери со висок интензитет, постои хемиска реакција помеѓу гасот и површината на кристалниот силициум, дозволувајќи површината на силициумот да биде гравирана од одредени гасови, формирајќи остри конуси. Ерик Мазур и сор. ги припишуваат физичките и хемиските механизми на формирање на микроструктурата на површината на силициумот на: топење и аблација на силициумската подлога предизвикана од ласерски импулси со висок флуенс; гравирање на силициумската подлога од реактивни јони и честички генерирани од силното ласерско поле; и рекристализација на аблираниот дел од силициумската подлога.
Конусните структури на површината на силициумот се формираат спонтано, а квази-регуларен низ може да се формира без маска. М.Ј. Шен и сор. прикачиле бакарна мрежа од трансмисионен електронски микроскоп со дебелина од 2 μm на површината на силициумот како маска, а потоа ја озрачиле силициумската плочка во SF6 гас со фемтосекунден ласер. Тие добиле многу регуларно распореден низ од конусни структури на површината на силициумот, во согласност со шемата на маската (видете Слика 4). Големината на отворот на маската значително влијае на распоредот на конусните структури. Дифракцијата на инцидентниот ласер од отворите на маската предизвикува нерамномерна распределба на енергијата на ласерот на површината на силициумот, што резултира со периодична распределба на температурата на површината на силициумот. Ова на крајот го принудува низот на површинската структура на силициумот да стане регуларен.