Revolucia Nova Materialo - Nigra Silicio
Nigra silicio estas nova tipo de silicia materialo kun bonegaj optoelektronikaj ecoj. Ĉi tiu artikolo resumas la esplorlaboron pri nigra silicio faritan de Eric Mazur kaj aliaj esploristoj en la lastaj jaroj, detaligante la preparadon kaj formiĝmekanismon de nigra silicio, same kiel ĝiajn ecojn kiel ekzemple absorbado, luminesko, kampa emisio kaj spektra respondo. Ĝi ankaŭ atentigas pri la gravaj eblaj aplikoj de nigra silicio en infraruĝaj detektiloj, sunĉeloj kaj plataj ekranoj.
Kristala silicio estas vaste uzata en la duonkonduktaĵa industrio pro siaj avantaĝoj kiel facileco de purigo, facileco de dopado, kaj rezisto al altaj temperaturoj. Tamen, ĝi ankaŭ havas multajn malavantaĝojn, kiel ekzemple alta reflektiveco de videbla kaj infraruĝa lumo sur sia surfaco. Krome, pro sia granda bendbreĉo,kristala silicione povas absorbi lumon kun ondolongoj pli grandaj ol 1100 nm. Kiam la ondolongo de envena lumo estas pli granda ol 1100 nm, la sorbado kaj respondorapideco de siliciaj detektiloj estas multe reduktitaj. Aliaj materialoj kiel germaniumo kaj india galiuma arsenido devas esti uzataj por detekti ĉi tiujn ondolongojn. Tamen, la alta kosto, malbonaj termodinamikaj ecoj kaj kristala kvalito, kaj nekongrueco kun ekzistantaj maturaj siliciaj procezoj limigas ilian aplikon en silicio-bazitaj aparatoj. Tial, redukti la reflekton de kristalaj siliciaj surfacoj kaj etendi la detektan ondolongan gamon de silicio-bazitaj kaj silicio-kongruaj fotodetektiloj restas varmega esplortemo.
Por redukti la reflekton de kristalaj siliciaj surfacoj, multaj eksperimentaj metodoj kaj teknikoj estis uzitaj, kiel ekzemple fotolitografio, reaktiva jona akvaforto, kaj elektrokemia akvaforto. Ĉi tiuj teknikoj povas, iagrade, ŝanĝi la surfacan kaj preskaŭ-surfacan morfologion de kristala silicio, tiel reduktantesilicio surfaca reflekto. En la videbla lumintervalo, redukti reflekton povas pliigi sorbadon kaj plibonigi aparatefikecon. Tamen, ĉe ondolongoj superantaj 1100 nm, se neniuj sorbaj energiaj niveloj estas enkondukitaj en la silician bendbreĉon, reduktita reflekto nur kondukas al pliigita transdono, ĉar la bendbreĉo de silicio finfine limigas ĝian sorbadon de long-ondolonga lumo. Tial, por etendi la senteman ondolongintervalon de silicio-bazitaj kaj silicio-kongruaj aparatoj, necesas pliigi fotonan sorbadon ene de la bendbreĉo samtempe reduktante silician surfacan reflekton.
Fine de la 1990-aj jaroj, Profesoro Eric Mazur kaj aliaj ĉe la Universitato Harvard akiris novan materialon — nigran silicion — dum sia esplorado pri la interago de femtosekundaj laseroj kun materio, kiel montrite en Figuro 1. Studante la fotoelektrajn ecojn de nigra silicio, Eric Mazur kaj liaj kolegoj surpriziĝis malkovrante, ke ĉi tiu mikrostrukturita silicia materialo posedas unikajn fotoelektrajn ecojn. Ĝi absorbas preskaŭ ĉian lumon en la preskaŭ-ultraviola kaj preskaŭ-infraruĝa gamo (0,25–2,5 μm), montrante bonegajn videblajn kaj preskaŭ-infraruĝajn lumineskajn karakterizaĵojn kaj bonajn kampajn emisiajn ecojn. Ĉi tiu malkovro kaŭzis sensacion en la semikonduktaĵa industrio, kaj gravaj revuoj konkuris por raporti pri ĝi. En 1999, la revuoj Scientific American kaj Discover, en 2000 la scienca sekcio de Los Angeles Times, kaj en 2001 la revuo New Scientist ĉiuj publikigis ĉefartikolojn diskutantajn la malkovron de nigra silicio kaj ĝiajn eblajn aplikojn, kredante, ke ĝi havas signifan eblan valoron en kampoj kiel teledetektado, optikaj komunikadoj kaj mikroelektroniko.
Nuntempe, T. Samet el Francio, Anoife M. Moloney el Irlando, Zhao Li el la Universitato Fudan en Ĉinio, kaj Men Haining el la Ĉina Akademio de Sciencoj ĉiuj faris ampleksan esploradon pri nigra silicio kaj atingis preparajn rezultojn. SiOnyx, kompanio en Masaĉuseco, Usono, eĉ akiris 11 milionojn da dolaroj en riskkapitalo por servi kiel teknologia disvolva platformo por aliaj kompanioj, kaj komencis komercan produktadon de sensil-bazitaj nigraj siliciaj obletoj, preparante por uzi la finitajn produktojn en venontgeneraciaj infraruĝaj bildigaj sistemoj. Stephen Saylor, ĉefoficisto de SiOnyx, deklaris, ke la malalta kosto kaj alta sentemo-avantaĝoj de nigra silicia teknologio neeviteble altiros la atenton de kompanioj fokusitaj pri esplorado kaj medicina bildigo-merkatoj. En la estonteco, ĝi eĉ povus eniri la multmiliard-dolaran merkaton de ciferecaj fotiloj kaj vidbendaj kameraoj. SiOnyx ankaŭ nuntempe eksperimentas kun la fotovoltaikaj ecoj de nigra silicio, kaj estas tre probable, ke...nigra silicioestos uzata en sunĉeloj estonte. 1. Formiĝo-procezo de nigra silicio
1.1 Prepara Procezo
Unukristalaj siliciaj obletoj estas purigitaj sinsekve per trikloroetileno, acetono kaj metanolo, kaj poste metitaj sur tridimensie moveblan celan ŝtupon en vakua ĉambro. La baza premo de la vakua ĉambro estas malpli ol 1,3 × 10⁻² Pa. La laborgaso povas esti SF₆, Cl₂, N₂, aero, H₂S, H₂, SiH₄, ktp., kun laborpremo de 6,7 × 10⁴ Pa. Alternative, vakua medio povas esti uzata, aŭ elementaj pulvoroj de S, Se aŭ Te povas esti kovritaj sur la silician surfacon en vakuo. La cela ŝtupo ankaŭ povas esti mergita en akvo. Femtosekundaj pulsoj (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) generitaj de Ti:safira lasera regenera amplifilo estas enfokusigitaj per lenso kaj perpendikulare surradiitaj sur la silician surfacon (la lasera elira energio estas kontrolata de atenuilo, kiu konsistas el duononda plato kaj polarizilo). Movante la celan ŝtupon por skani la silician surfacon per la lasera punkto, oni povas akiri grandan areon de nigra silicia materialo. Ŝanĝante la distancon inter la lenso kaj la silicia plateto oni povas ĝustigi la grandecon de la lumpunkto surradiita sur la silician surfacon, tiel ŝanĝante la laseran fluencon; kiam la punktograndeco estas konstanta, ŝanĝante la movrapidecon de la cela ŝtupo oni povas ĝustigi la nombron de pulsoj surradiitaj sur unuo de la silicia surfaco. La laborgaso signife influas la formon de la mikrostrukturo de la silicia surfaco. Kiam la laborgaso estas konstanta, ŝanĝante la laseran fluencon kaj la nombron de pulsoj ricevitaj por unuo de areo oni povas kontroli la altecon, bildformaton kaj interspacon de la mikrostrukturoj.
1.2 Mikroskopaj Karakterizaĵoj
Post femtosekunda lasera surradiado, la originale glata kristala silicia surfaco montras aron da kvazaŭregule aranĝitaj etaj konusaj strukturoj. La konusaj pintoj estas sur la sama ebeno kiel la ĉirkaŭa nesurradiita silicia surfaco. La formo de la konusa strukturo rilatas al la laborgaso, kiel montrite en Figuro 2, kie la konusaj strukturoj montritaj en (a), (b) kaj (c) estas formitaj en SF₆, S kaj N₂ atmosferoj, respektive. Tamen, la direkto de la konusaj pintoj estas sendependa de la gaso kaj ĉiam montras en la direkto de lasera incidenco, netuŝita de gravito, kaj ankaŭ sendependa de la dopa tipo, rezisteco kaj kristala orientiĝo de la kristala silicio; la konusaj bazoj estas nesimetriaj, kun sia mallonga akso paralela al la lasera polariza direkto. La konusaj strukturoj formitaj en aero estas la plej malglataj, kaj iliaj surfacoj estas kovritaj per eĉ pli fajnaj dendritaj nanostrukturoj de 10–100 nm.
Ju pli alta la lasera fluenco kaj ju pli granda la nombro da pulsoj, des pli altaj kaj larĝaj fariĝas la konusaj strukturoj. En SF6-gaso, la alto h kaj la interspaco d de la konusaj strukturoj havas nelinearan rilaton, kiu povas esti proksimume esprimita kiel h∝dp, kie p=2.4±0.1; kaj la alto h kaj la interspaco d signife pliiĝas kun kreskanta lasera fluenco. Kiam la fluenco pliiĝas de 5 kJ/m² ĝis 10 kJ/m², la interspaco d pliiĝas 3-oble, kaj kombinite kun la rilato inter h kaj d, la alto h pliiĝas 12-oble.
Post alttemperatura kalcinado (1200 K, 3 h) en vakuo, la konusaj strukturoj denigra silicione ŝanĝiĝis signife, sed la 10–100 nm dendritaj nanostrukturoj sur la surfaco estis multe reduktitaj. Jona kanaliga spektroskopio montris, ke la malordo sur la konusa surfaco malpliiĝis post kalcinado, sed la plej multaj el la malordaj strukturoj ne ŝanĝiĝis sub ĉi tiuj kalcinadaj kondiĉoj.
1.3 Formacia Mekanismo
Nuntempe, la formiĝmekanismo de nigra silicio ne estas klara. Tamen, Eric Mazur kaj aliaj konjektis, surbaze de la ŝanĝo en la formo de la silicia surfaca mikrostrukturo kun la labora atmosfero, ke sub la stimulo de alt-intensaj femtosekundaj laseroj, okazas kemia reakcio inter la gaso kaj la kristala silicia surfaco, permesante ke la silicia surfaco estu gratita per certaj gasoj, formante akrajn konusojn. Eric Mazur kaj aliaj atribuis la fizikajn kaj kemiajn mekanismojn de la formado de la silicia surfaca mikrostrukturo al: fandado kaj ablacio de la silicia substrato kaŭzita de alt-fluaj laserpulsoj; gratado de la silicia substrato per reaktivaj jonoj kaj partikloj generitaj de la forta laserkampo; kaj rekristaliĝo de la ablaciita parto de la substrata silicio.
La konusaj strukturoj sur la silicia surfaco spontane formiĝas, kaj kvazaŭregula aro povas esti formita sen masko. MY Shen kaj aliaj alkroĉis 2 μm dikan kupran reton el transmisia elektrona mikroskopo al la silicia surfaco kiel maskon, kaj poste surradiis la silician silician opaleton en SF6-gaso per femtosekunda lasero. Ili akiris tre regule aranĝitan aron de konusaj strukturoj sur la silicia surfaco, konforme al la maska padrono (vidu Figuron 4). La aperturgrandeco de la masko signife influas la aranĝon de la konusaj strukturoj. La difrakto de la incida lasero per la maskaj aperturoj kaŭzas neunuforman distribuon de lasera energio sur la silicia surfaco, rezultante en perioda temperaturdistribuo sur la silicia surfaco. Ĉi tio finfine devigas la silician surfacan strukturan aron fariĝi regula.