Isang Rebolusyonaryong Bagong Materyal – Itim na Silikon
Ang itim na silicon ay isang bagong uri ng materyal na silicon na may mahusay na mga katangiang optoelectronic. Binubuod ng artikulong ito ang pananaliksik nina Eric Mazur at iba pang mga mananaliksik sa itim na silicon nitong mga nakaraang taon, na nagdedetalye sa mekanismo ng paghahanda at pagbuo ng itim na silicon, pati na rin ang mga katangian nito tulad ng absorption, luminescence, field emission, at spectral response. Itinuturo rin nito ang mahahalagang potensyal na aplikasyon ng itim na silicon sa mga infrared detector, solar cell, at flat-panel display.
Ang crystalline silicon ay malawakang ginagamit sa industriya ng semiconductor dahil sa mga bentahe nito tulad ng kadalian ng paglilinis, kadalian ng doping, at resistensya sa mataas na temperatura. Gayunpaman, marami rin itong disbentaha, tulad ng mataas na repleksyon ng nakikita at infrared na liwanag sa ibabaw nito. Bukod pa rito, dahil sa malaking band gap nito,kristal na silikonHindi kayang sumipsip ng liwanag na may mga wavelength na higit sa 1100 nm. Kapag ang wavelength ng incident light ay higit sa 1100 nm, ang absorption at response rate ng mga silicon detector ay lubhang nababawasan. Ang iba pang mga materyales tulad ng germanium at indium gallium arsenide ay kailangang gamitin upang matukoy ang mga wavelength na ito. Gayunpaman, ang mataas na gastos, mahinang thermodynamic properties at kalidad ng kristal, at hindi pagkakatugma sa mga umiiral nang mature na proseso ng silicon ay naglilimita sa kanilang aplikasyon sa mga aparatong nakabatay sa silicon. Samakatuwid, ang pagbabawas ng repleksyon ng mga ibabaw ng crystalline silicon at pagpapalawak ng saklaw ng wavelength ng detection ng mga photodetector na nakabatay sa silicon at silicon-compatible ay nananatiling isang mainit na paksa ng pananaliksik.
Upang mabawasan ang repleksyon ng mga ibabaw ng crystalline silicon, maraming eksperimental na pamamaraan at pamamaraan ang ginamit, tulad ng photolithography, reactive ion etching, at electrochemical etching. Ang mga pamamaraang ito ay maaaring, sa ilang antas, baguhin ang morpolohiya ng ibabaw at malapit sa ibabaw ng crystalline silicon, kaya binabawasansilikon repleksyon sa ibabaw. Sa saklaw ng nakikitang liwanag, ang pagbabawas ng repleksyon ay maaaring magpataas ng absorption at mapabuti ang kahusayan ng aparato. Gayunpaman, sa mga wavelength na higit sa 1100 nm, kung walang antas ng enerhiya ng pagsipsip na ipinapasok sa silicon band gap, ang nabawasang repleksyon ay humahantong lamang sa pagtaas ng transmission, dahil ang band gap ng silicon ay sa huli ay naglilimita sa pagsipsip nito ng long-wavelength na liwanag. Samakatuwid, upang mapalawak ang sensitibong saklaw ng wavelength ng mga aparatong nakabatay sa silicon at silicon-compatible, kinakailangang dagdagan ang photon absorption sa loob ng band gap habang sabay na binabawasan ang repleksyon sa ibabaw ng silicon.
Noong huling bahagi ng dekada 1990, si Propesor Eric Mazur at ang iba pa sa Harvard University ay nakakuha ng isang bagong materyal—ang itim na silicon—sa kanilang pananaliksik sa interaksyon ng mga femtosecond laser sa materya, gaya ng ipinapakita sa Figure 1. Habang pinag-aaralan ang mga photoelectric na katangian ng itim na silicon, nagulat sina Eric Mazur at ang kanyang mga kasamahan nang matuklasan na ang microstructured silicon material na ito ay nagtataglay ng mga natatanging photoelectric na katangian. Halos lahat ng liwanag ay sinisipsip nito sa saklaw na malapit-ultraviolet at malapit-infrared (0.25–2.5 μm), na nagpapakita ng mahusay na nakikita at malapit-infrared na mga katangian ng luminescence at mahusay na mga katangian ng field emission. Ang pagtuklas na ito ay nagdulot ng isang sensasyon sa industriya ng semiconductor, kung saan ang mga pangunahing magasin ay naglalaban-laban na mag-ulat tungkol dito. Noong 1999, ang mga magasin na Scientific American at Discover, noong 2000 ang seksyon ng agham ng Los Angeles Times, at noong 2001 ang magasin na New Scientist ay pawang naglathala ng mga artikulo tungkol sa pagtuklas ng itim na silicon at mga potensyal na aplikasyon nito, na naniniwalang mayroon itong malaking potensyal na halaga sa mga larangan tulad ng remote sensing, optical communications, at microelectronics.
Sa kasalukuyan, sina T. Samet mula sa France, Anoife M. Moloney mula sa Ireland, Zhao Li mula sa Fudan University sa China, at Men Haining mula sa Chinese Academy of Sciences ay pawang nagsagawa ng malawakang pananaliksik sa itim na silicon at nakamit ang mga paunang resulta. Ang SiOnyx, isang kumpanya sa Massachusetts, USA, ay nakalikom pa ng $11 milyon sa venture capital upang magsilbing plataporma sa pagpapaunlad ng teknolohiya para sa iba pang mga kumpanya, at sinimulan na ang komersyal na produksyon ng mga sensor-based na itim na silicon wafer, na naghahanda na gamitin ang mga natapos na produkto sa mga susunod na henerasyon ng infrared imaging system. Sinabi ni Stephen Saylor, CEO ng SiOnyx, na ang mababang gastos at mataas na sensitivity na bentahe ng teknolohiya ng itim na silicon ay tiyak na makakaakit ng atensyon ng mga kumpanyang nakatuon sa pananaliksik at mga merkado ng medical imaging. Sa hinaharap, maaari pa itong pumasok sa multi-bilyong dolyar na digital camera at camcorder market. Kasalukuyan ding nag-eeksperimento ang SiOnyx sa mga photovoltaic properties ng itim na silicon, at malamang na...itim na silikongagamitin sa mga solar cell sa hinaharap. 1. Proseso ng Pagbuo ng Itim na Silikon
1.1 Proseso ng Paghahanda
Ang mga single-crystal silicon wafer ay nililinis nang sunud-sunod gamit ang trichloroethylene, acetone, at methanol, at pagkatapos ay inilalagay sa isang three-dimensionally movable target stage sa isang vacuum chamber. Ang base pressure ng vacuum chamber ay mas mababa sa 1.3 × 10⁻² Pa. Ang working gas ay maaaring SF₆, Cl₂, N₂, hangin, H₂S, H₂, SiH₄, atbp., na may working pressure na 6.7 × 10⁴ Pa. Bilang kahalili, maaaring gamitin ang vacuum environment, o ang mga elemental powder ng S, Se, o Te ay maaaring i-coat sa ibabaw ng silicon sa isang vacuum. Maaari ring ilubog ang target stage sa tubig. Ang mga femtosecond pulse (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) na nalilikha ng isang Ti:sapphire laser regenerative amplifier ay itinutuon ng isang lente at ini-irradiate nang patayo sa ibabaw ng silicon (ang enerhiya ng output ng laser ay kinokontrol ng isang attenuator, na binubuo ng isang half-wave plate at isang polarizer). Sa pamamagitan ng paggalaw ng target stage upang i-scan ang ibabaw ng silicon gamit ang laser spot, maaaring makuha ang malaking lugar na itim na silicon material. Ang pagbabago ng distansya sa pagitan ng lente at ng silicon wafer ay maaaring mag-adjust sa laki ng light spot na ini-irradiate sa ibabaw ng silicon, sa gayon ay binabago ang laser fluence; kapag ang laki ng spot ay pare-pareho, ang pagbabago ng bilis ng paggalaw ng target stage ay maaaring mag-adjust sa bilang ng mga pulse na ini-irradiate sa isang unit area ng silicon surface. Ang working gas ay makabuluhang nakakaapekto sa hugis ng microstructure ng ibabaw ng silicon. Kapag ang working gas ay pare-pareho, ang pagbabago ng laser fluence at ang bilang ng mga pulse na natatanggap bawat unit area ay maaaring makontrol ang taas, aspect ratio, at espasyo ng mga microstructure.
1.2 Mga Katangiang Mikroskopiko
Pagkatapos ng femtosecond laser irradiation, ang orihinal na makinis na mala-kristal na ibabaw ng silicon ay nagpapakita ng isang hanay ng mga mala-regular na nakaayos na maliliit na conical na istruktura. Ang mga tuktok ng cone ay nasa parehong patag ng nakapalibot na hindi na-irradiated na ibabaw ng silicon. Ang hugis ng conical na istraktura ay nauugnay sa gumaganang gas, tulad ng ipinapakita sa Figure 2, kung saan ang mga conical na istruktura na ipinapakita sa (a), (b), at (c) ay nabuo sa mga atmospera ng SF₆, S, at N₂, ayon sa pagkakabanggit. Gayunpaman, ang direksyon ng mga tuktok ng cone ay independiyente sa gas at palaging nakaturo sa direksyon ng laser incidence, hindi naaapektuhan ng gravity, at independiyente rin sa uri ng doping, resistivity, at oryentasyong kristal ng crystalline silicon; ang mga base ng cone ay asymmetrical, kung saan ang kanilang maikling axis ay parallel sa direksyon ng laser polarization. Ang mga conical na istruktura na nabuo sa hangin ang pinakamagaspang, at ang kanilang mga ibabaw ay natatakpan ng mas pinong dendritic nanostructures na 10–100 nm.
Kung mas mataas ang laser fluence at mas malaki ang bilang ng mga pulse, mas tumataas at lumalawak ang mga conical na istruktura. Sa SF6 gas, ang taas h at spacing d ng mga conical na istruktura ay may nonlinear na relasyon, na maaaring humigit-kumulang ipahayag bilang h∝dp, kung saan p=2.4±0.1; parehong taas h at spacing d ang tumataas nang malaki kasabay ng pagtaas ng laser fluence. Kapag ang fluence ay tumataas mula 5 kJ/m² hanggang 10 kJ/m², ang spacing d ay tumataas nang 3 beses, at kapag sinamahan ng relasyon sa pagitan ng h at d, ang taas h ay tumataas nang 12 beses.
Pagkatapos ng high-temperature annealing (1200 K, 3 oras) sa isang vacuum, ang mga conical na istruktura ngitim na silikonhindi nagbago nang malaki, ngunit ang 10–100 nm dendritic nanostructures sa ibabaw ay lubhang nabawasan. Ipinakita ng ion channeling spectroscopy na ang disorder sa conical surface ay nabawasan pagkatapos ng annealing, ngunit karamihan sa mga disordered na istruktura ay hindi nagbago sa ilalim ng mga annealing na kondisyong ito.
1.3 Mekanismo ng Pagbuo
Sa kasalukuyan, hindi pa malinaw ang mekanismo ng pagbuo ng itim na silicon. Gayunpaman, hinulaan nina Eric Mazur et al., batay sa pagbabago sa hugis ng microstructure ng ibabaw ng silicon kasama ang working atmosphere, na sa ilalim ng pagpapasigla ng mga high-intensity femtosecond laser, mayroong kemikal na reaksyon sa pagitan ng gas at ng mala-kristal na ibabaw ng silicon, na nagpapahintulot sa ibabaw ng silicon na maukit ng ilang mga gas, na bumubuo ng matutulis na cone. Iniugnay nina Eric Mazur et al. ang pisikal at kemikal na mekanismo ng pagbuo ng microstructure ng ibabaw ng silicon sa: pagkatunaw at pag-aablate ng substrate ng silicon na dulot ng mga high-fluence laser pulse; pag-ukit ng substrate ng silicon ng mga reactive ion at particle na nabuo ng malakas na laser field; at recrystallization ng ablated na bahagi ng substrate silicon.
Ang mga konikong istruktura sa ibabaw ng silicon ay kusang nabubuo, at ang isang mala-regular na hanay ay maaaring mabuo nang walang maskara. Sina Shen et al., MY, ay nagkabit ng 2 μm na kapal na transmission electron microscope copper mesh sa ibabaw ng silicon bilang maskara, at pagkatapos ay ini-irradiate ang silicon wafer sa SF6 gas gamit ang isang femtosecond laser. Nakakuha sila ng isang napaka-regular na pagkakaayos ng hanay ng mga konikong istruktura sa ibabaw ng silicon, na naaayon sa pattern ng maskara (tingnan ang Larawan 4). Ang laki ng butas ng maskara ay makabuluhang nakakaapekto sa pagkakaayos ng mga konikong istruktura. Ang diffraction ng incident laser ng mga butas ng maskara ay nagdudulot ng hindi pantay na distribusyon ng enerhiya ng laser sa ibabaw ng silicon, na nagreresulta sa isang pana-panahong distribusyon ng temperatura sa ibabaw ng silicon. Sa huli, pinipilit nito ang hanay ng istruktura sa ibabaw ng silicon na maging regular.