In revolúsjonêr nij materiaal - swart silisium
Swart silisium is in nij type silisiummateriaal mei poerbêste opto-elektronyske eigenskippen. Dit artikel jout in gearfetting fan it ûndersykswurk oer swart silisium troch Eric Mazur en oare ûndersikers yn 'e ôfrûne jierren, en beskriuwt it tariedings- en foarmingsmeganisme fan swart silisium, lykas syn eigenskippen lykas absorpsje, luminesinsje, fjildútstjit en spektrale respons. It wiist ek op 'e wichtige potinsjele tapassingen fan swart silisium yn ynfrareaddetektors, sinnesellen en flatscreen-displays.
Kristalline silisium wurdt in soad brûkt yn 'e healgeleideryndustry fanwegen syn foardielen lykas gemak fan suvering, gemak fan doping, en hege temperatuerresistinsje. It hat lykwols ek in protte neidielen, lykas hege reflektiviteit fan sichtber en ynfraread ljocht op syn oerflak. Fierder, fanwegen syn grutte bandgap,kristallijn silisiumkinne gjin ljocht absorbearje mei golflingten grutter as 1100 nm. As de golflingte fan ynfallend ljocht grutter is as 1100 nm, wurde de absorpsje- en reaksjesnelheid fan silisiumdetektors sterk fermindere. Oare materialen lykas germanium en indium galliumarsenide moatte brûkt wurde om dizze golflingten te detektearjen. De hege kosten, minne termodynamyske eigenskippen en kristalkwaliteit, en ynkompatibiliteit mei besteande folwoeksen silisiumprosessen beheine lykwols har tapassing yn apparaten op silisium basearre. Dêrom bliuwt it ferminderjen fan 'e refleksje fan kristallijne silisiumoerflakken en it útwreidzjen fan it deteksjegolflingteberik fan silisium-basearre en silisium-kompatible fotodetektors in hjit ûndersyksûnderwerp.
Om de refleksje fan kristallijne silisiumoerflakken te ferminderjen, binne in protte eksperimintele metoaden en techniken brûkt, lykas fotolitografy, reaktive ionetsing en elektrochemysk etsing. Dizze techniken kinne, yn in beskate mjitte, de oerflak- en tichtby-oerflakmorfology fan kristallijn silisium feroarje, en sadwaande ferminderjesilisium oerflakrefleksje. Yn it berik fan sichtber ljocht kin it ferminderjen fan refleksje de absorpsje ferheegje en de effisjinsje fan apparaten ferbetterje. By golflingten fan mear as 1100 nm, as der gjin absorpsje-enerzjynivo's yn 'e silisiumbandgap ynfierd wurde, liedt fermindere refleksje allinich ta ferhege transmissie, om't de bandgap fan silisium úteinlik de absorpsje fan ljocht mei lange golflingte beheint. Dêrom, om it gefoelige golflingteberik fan silisium-basearre en silisium-kompatible apparaten út te wreidzjen, is it needsaaklik om de fotonabsorpsje binnen de bandgap te ferheegjen, wylst tagelyk de refleksje fan it silisiumoerflak fermindere wurdt.
Ein jierren '90 krigen professor Eric Mazur en oaren oan 'e Harvard University in nij materiaal - swart silisium - tidens har ûndersyk nei de ynteraksje fan femtosekondelasers mei matearje, lykas te sjen is yn figuer 1. Wylst se de fotoelektryske eigenskippen fan swart silisium bestudearren, wiene Eric Mazur en syn kollega's ferrast om te ûntdekken dat dit mikrostrukturearre silisiummateriaal unike fotoelektryske eigenskippen hat. It absorbearret hast al it ljocht yn it hast ultraviolette en hast ynfrareade berik (0,25-2,5 μm), en toant poerbêste sichtbere en hast ynfrareade luminesinsje-eigenskippen en goede fjildútstjit-eigenskippen. Dizze ûntdekking feroarsake in sensaasje yn 'e healgeleideryndustry, mei grutte tydskriften dy't stride om deroer te rapportearjen. Yn 1999 publisearren de tydskriften Scientific American en Discover, yn 2000 de wittenskiplike seksje fan 'e Los Angeles Times, en yn 2001 it tydskrift New Scientist allegear artikels oer de ûntdekking fan swart silisium en syn potensjele tapassingen, yn 'e oertsjûging dat it in wichtige potensjele wearde hie op fjilden lykas ôfstânswaarneming, optyske kommunikaasje en mikro-elektroanika.
Op it stuit hawwe T. Samet út Frankryk, Anoife M. Moloney út Ierlân, Zhao Li fan 'e Fudan Universiteit yn Sina, en Men Haining fan 'e Sineeske Akademy fan Wittenskippen allegear wiidweidich ûndersyk dien nei swart silisium en foarriedige resultaten berikt. SiOnyx, in bedriuw yn Massachusetts, Feriene Steaten, hat sels $11 miljoen oan risikokapitaal ophelle om te tsjinjen as in technologyûntwikkelingsplatfoarm foar oare bedriuwen, en is begûn mei de kommersjele produksje fan sensor-basearre swarte silisiumwafers, en is ree om de ôfmakke produkten te brûken yn ynfrareadôfbyldingssystemen fan 'e folgjende generaasje. Stephen Saylor, CEO fan SiOnyx, stelde dat de lege kosten en hege gefoelichheid foardielen fan swarte silisiumtechnology ûnûntkomber de oandacht sille lûke fan bedriuwen dy't rjochte binne op ûndersyk en medyske ôfbyldingsmerken. Yn 'e takomst kin it sels de digitale kamera- en camcordermerk fan meardere miljarden dollars yngean. SiOnyx eksperimintearret op it stuit ek mei de fotovoltaïsche eigenskippen fan swart silisium, en it is tige wierskynlik datswart silikonsil yn 'e takomst brûkt wurde yn sinnesellen. 1. Formaasjeproses fan swart silisium
1.1 Tariedingsproses
Ienkristal silisiumwafers wurde efterinoar skjinmakke mei trichloorethyleen, aceton en metanol, en dan pleatst op in trijediminsjonaal beweechbere doeltrap yn in fakuümkeamer. De basisdruk fan 'e fakuümkeamer is minder as 1,3 × 10⁻² Pa. It wurkgas kin SF₆, Cl₂, N₂, loft, H₂S, H₂, SiH₄, ensfh. wêze, mei in wurkdruk fan 6,7 × 10⁴ Pa. As alternatyf kin in fakuümomjouwing brûkt wurde, of kinne elemintêre poeders fan S, Se of Te yn in fakuüm op it silisiumoerflak oanbrocht wurde. De doeltrap kin ek yn wetter ûnderdompele wurde. Femtosekondepulsen (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) generearre troch in Ti:saffierlaserregenerative fersterker wurde fokussearre troch in lens en loodrecht op it silisiumoerflak bestraald (de laserútfierenerzjy wurdt regele troch in ferswakker, dy't bestiet út in healgolfplaat en in polarisator). Troch it ferpleatsen fan it doelpoadium om it silisiumoerflak te scannen mei de laserflek, kin in grut oerflak swart silisiummateriaal krigen wurde. It feroarjen fan de ôfstân tusken de lens en de silisiumwafer kin de grutte fan 'e ljochtflek dy't op it silisiumoerflak bestraald wurdt oanpasse, wêrtroch't de laserfluens feroaret; as de flekgrutte konstant is, kin it feroarjen fan de bewegingssnelheid fan it doelpoadium it oantal pulsen dat op in ienheidsoppervlakte fan it silisiumoerflak bestraald wurdt, oanpasse. It wurkgas beynfloedet de foarm fan 'e mikrostruktuer fan it silisiumoerflak signifikant. As it wurkgas konstant is, kin it feroarjen fan de laserfluens en it oantal pulsen dat per ienheidsoppervlakte ûntfongen wurdt, de hichte, aspektferhâlding en ôfstân fan 'e mikrostrukturen kontrolearje.
1.2 Mikroskopyske skaaimerken
Nei femtosekonde laserbestraling toant it oarspronklik glêde kristallijne silisiumoerflak in rige fan hast regelmjittich arranzjearre lytse konyske struktueren. De kegeltoppen lizze op itselde flak as it omlizzende net-bestrale silisiumoerflak. De foarm fan 'e konyske struktuer is relatearre oan it wurkgas, lykas te sjen is yn figuer 2, wêrby't de konyske struktueren werjûn yn (a), (b) en (c) foarme binne yn SF₆-, S- en N₂-atmosfearen, respektivelik. De rjochting fan 'e kegeltoppen is lykwols ûnôfhinklik fan it gas en wiist altyd yn 'e rjochting fan laserynfal, net beynfloede troch swiertekrêft, en ek ûnôfhinklik fan it dopingtype, de wjerstân en de kristaloriïntaasje fan it kristallijne silisium; de kegelbasen binne asymmetrysk, mei har koarte as parallel oan 'e laserpolarisaasjerjochting. De konyske struktueren dy't yn loft foarme wurde, binne it rûchst, en har oerflakken binne bedekt mei noch finer dendrityske nanostrukturen fan 10–100 nm.
Hoe heger de laserfluens en hoe grutter it oantal pulsen, hoe heger en breder de konyske struktueren wurde. Yn SF6-gas hawwe de hichte h en de ôfstân d fan 'e konyske struktueren in net-lineare relaasje, dy't sawat útdrukt wurde kin as h∝dp, wêrby't p = 2,4 ± 0,1; sawol hichte h as ôfstân d nimme signifikant ta mei tanimmende laserfluens. As de fluens tanimt fan 5 kJ/m² nei 10 kJ/m², nimt de ôfstân d 3 kear ta, en yn kombinaasje mei de relaasje tusken h en d nimt de hichte h 12 kear ta.
Nei hege-temperatuer gloeien (1200 K, 3 oeren) yn in fakuüm, de konyske struktueren fanswart silikonferoare net signifikant, mar de dendrityske nanostrukturen fan 10–100 nm op it oerflak wiene sterk fermindere. Ionenkanalisaasjespektroskopie liet sjen dat de wanorde op it konyske oerflak ôfnaam nei it gloeien, mar de measte fan 'e wanorde struktueren feroaren net ûnder dizze gloeiomstannichheden.
1.3 Formaasjemeganisme
Op it stuit is it foarmingsmeganisme fan swart silisium net dúdlik. Eric Mazur et al. spekulearren lykwols, basearre op 'e feroaring yn 'e foarm fan 'e mikrostruktuer fan it silisiumoerflak mei de wurkatmosfear, dat ûnder de stimulearring fan hege-yntinsiteit femtosekonde lasers in gemyske reaksje optreedt tusken it gas en it kristallijne silisiumoerflak, wêrtroch't it silisiumoerflak troch bepaalde gassen etst wurde kin, wêrtroch skerpe kegels ûntsteane. Eric Mazur et al. taskreau de fysike en gemyske meganismen fan 'e foarming fan 'e mikrostruktuer fan it silisiumoerflak oan: smelten en ablaasje fan it silisiumsubstraat feroarsake troch hege-fluens laserpulsen; etsen fan it silisiumsubstraat troch reaktive ioanen en dieltsjes generearre troch it sterke laserfjild; en rekristallisaasje fan it ablearre diel fan it silisiumsubstraat.
De konyske struktueren op it silisiumoerflak wurde spontaan foarme, en in kwasi-regelmjittige array kin foarme wurde sûnder in masker. MY Shen et al. hawwe in 2 μm dik koperen gaas fan in transmissie-elektronenmikroskoop oan it silisiumoerflak befestige as in masker, en doe de silisiumwafer bestraald yn SF6-gas mei in femtosekondelaser. Se krigen in tige regelmjittich arranzjearre array fan konyske struktueren op it silisiumoerflak, oerienkommend mei it maskerpatroan (sjoch figuer 4). De iepeninggrutte fan it masker beynfloedet de arranzjemint fan 'e konyske struktueren signifikant. De diffraksje fan 'e ynfallende laser troch de maskeropeningen feroarsaket in net-unifoarme ferdieling fan laserenerzjy op it silisiumoerflak, wat resulteart yn in periodike temperatuerferdieling op it silisiumoerflak. Dit twingt úteinlik de struktuerarray fan it silisiumoerflak om regelmjittich te wurden.