Materjal Ġdid Rivoluzzjonarju – Silikon Iswed
Is-silikon iswed huwa tip ġdid ta' materjal tas-silikon bi proprjetajiet optoelettroniċi eċċellenti. Dan l-artiklu jiġbor fil-qosor ix-xogħol ta' riċerka dwar is-silikon iswed minn Eric Mazur u riċerkaturi oħra fis-snin riċenti, u jagħti dettalji dwar il-mekkaniżmu ta' preparazzjoni u formazzjoni tas-silikon iswed, kif ukoll il-proprjetajiet tiegħu bħall-assorbiment, il-luminexxenza, l-emissjoni tal-kamp, u r-rispons spettrali. Jindika wkoll l-applikazzjonijiet potenzjali importanti tas-silikon iswed f'ditekters infra-aħmar, ċelloli solari, u displays flat-panel.
Is-silikon kristallin jintuża ħafna fl-industrija tas-semikondutturi minħabba l-vantaġġi tiegħu bħall-faċilità ta' purifikazzjoni, il-faċilità tad-doping, u r-reżistenza għat-temperatura għolja. Madankollu, għandu wkoll ħafna żvantaġġi, bħal riflettività għolja tad-dawl viżibbli u infra-aħmar fuq il-wiċċ tiegħu. Barra minn hekk, minħabba l-band gap kbir tiegħu,silikon kristallinma jistgħux jassorbu dawl b'tul ta' mewġ akbar minn 1100 nm. Meta l-tul ta' mewġ tad-dawl inċidentali jkun akbar minn 1100 nm, ir-rata ta' assorbiment u rispons tad-ditekters tas-silikon titnaqqas ħafna. Materjali oħra bħall-ġermanju u l-arseniur tal-gallju tal-indju jridu jintużaw biex jinstabu dawn il-tul ta' mewġ. Madankollu, l-ispiża għolja, il-proprjetajiet termodinamiċi fqar u l-kwalità tal-kristall, u l-inkompatibilità mal-proċessi tas-silikon maturi eżistenti jillimitaw l-applikazzjoni tagħhom f'apparati bbażati fuq is-silikon. Għalhekk, it-tnaqqis tar-riflessjoni tal-uċuħ tas-silikon kristallin u l-estensjoni tal-firxa tal-tul ta' mewġ tad-detezzjoni ta' fotoditekters ibbażati fuq is-silikon u kompatibbli mas-silikon jibqgħu suġġett ta' riċerka jaħraq.
Biex titnaqqas ir-riflessjoni tal-uċuħ tas-silikon kristallin, intużaw ħafna metodi u tekniki sperimentali, bħal fotolitografija, inċiżjoni ta' joni reattivi, u inċiżjoni elettrokimika. Dawn it-tekniki jistgħu, sa ċertu punt, ibiddlu l-morfoloġija tal-wiċċ u qrib il-wiċċ tas-silikon kristallin, u b'hekk inaqqsusilikon Riflessjoni tal-wiċċ. Fil-medda tad-dawl viżibbli, it-tnaqqis tar-riflessjoni jista' jżid l-assorbiment u jtejjeb l-effiċjenza tal-apparat. Madankollu, f'tul ta' mewġ li jaqbeż l-1100 nm, jekk l-ebda livell ta' enerġija ta' assorbiment ma jiġi introdott fil-medda ta' mewġ tas-silikon, ir-riflessjoni mnaqqsa twassal biss għal żieda fit-trażmissjoni, għaliex il-medda ta' mewġ tas-silikon fl-aħħar mill-aħħar tillimita l-assorbiment tagħha ta' dawl b'tul ta' mewġ twil. Għalhekk, biex tiġi estiża l-medda ta' tul ta' mewġ sensittiva ta' apparati bbażati fuq is-silikon u kompatibbli mas-silikon, huwa meħtieġ li jiżdied l-assorbiment tal-fotoni fil-medda ta' mewġ filwaqt li fl-istess ħin titnaqqas ir-riflessjoni tal-wiċċ tas-silikon.
Fl-aħħar tas-snin disgħin, il-Professur Eric Mazur u oħrajn fl-Università ta' Harvard kisbu materjal ġdid—silikon iswed—matul ir-riċerka tagħhom dwar l-interazzjoni tal-lejżers femtosekondi mal-materja, kif muri fil-Figura 1. Waqt li kienu qed jistudjaw il-proprjetajiet fotoelettriċi tas-silikon iswed, Eric Mazur u l-kollegi tiegħu kienu sorpriżi meta skoprew li dan il-materjal tas-silikon mikrostrutturat għandu proprjetajiet fotoelettriċi uniċi. Jassorbi kważi d-dawl kollu fil-medda qrib l-ultravjola u qrib l-infra-aħmar (0.25–2.5 μm), u juri karatteristiċi eċċellenti ta' luminexxenza viżibbli u qrib l-infra-aħmar u proprjetajiet tajbin ta' emissjoni tal-kamp. Din l-iskoperta kkawżat sensazzjoni fl-industrija tas-semikondutturi, b'rivisti ewlenin jikkompetu biex jirrappurtaw dwarha. Fl-1999, ir-rivisti Scientific American u Discover, fl-2000 is-sezzjoni tax-xjenza tal-Los Angeles Times, u fl-2001 ir-rivista New Scientist kollhom ippubblikaw artikli ewlenin li jiddiskutu l-iskoperta tas-silikon iswed u l-applikazzjonijiet potenzjali tiegħu, u jemmnu li għandu valur potenzjali sinifikanti f'oqsma bħat-telerilevament, il-komunikazzjonijiet ottiċi, u l-mikroelettronika.
Bħalissa, T. Samet minn Franza, Anoife M. Moloney mill-Irlanda, Zhao Li mill-Università ta' Fudan fiċ-Ċina, u Men Haining mill-Akkademja Ċiniża tax-Xjenzi kollha wettqu riċerka estensiva dwar is-silikon iswed u kisbu riżultati preliminari. SiOnyx, kumpanija f'Massachusetts, l-Istati Uniti, saħansitra ġabret $11-il miljun f'kapital ta' riskju biex isservi bħala pjattaforma għall-iżvilupp tat-teknoloġija għal kumpaniji oħra, u bdiet il-produzzjoni kummerċjali ta' wejfers tas-silikon iswed ibbażati fuq sensuri, bi tħejjija biex tuża l-prodotti lesti f'sistemi ta' immaġini infra-aħmar tal-ġenerazzjoni li jmiss. Stephen Saylor, CEO ta' SiOnyx, stqarr li l-vantaġġi ta' spiża baxxa u sensittività għolja tat-teknoloġija tas-silikon iswed inevitabbilment se jiġbdu l-attenzjoni ta' kumpaniji ffukati fuq is-swieq tar-riċerka u l-immaġini mediċi. Fil-futur, tista' saħansitra tidħol fis-suq tal-kameras diġitali u l-camcorders ta' diversi biljuni ta' dollari. SiOnyx bħalissa qed tesperimenta wkoll bil-proprjetajiet fotovoltajċi tas-silikon iswed, u huwa probabbli ħafna lisilikon iswedse jintuża fiċ-ċelloli solari fil-futur. 1. Proċess ta' Formazzjoni tas-Silikon Iswed
1.1 Proċess ta' Preparazzjoni
Il-wejfers tas-silikon b'kristall wieħed jitnaddfu sekwenzjalment bit-trikloroetilene, l-aċetun, u l-metanol, u mbagħad jitqiegħdu fuq stadju fil-mira li jiċċaqlaq tridimensjonali f'kamra tal-vakwu. Il-pressjoni bażi tal-kamra tal-vakwu hija inqas minn 1.3 × 10⁻² Pa. Il-gass tax-xogħol jista' jkun SF₆, Cl₂, N₂, arja, H₂S, H₂, SiH₄, eċċ., bi pressjoni tax-xogħol ta' 6.7 × 10⁴ Pa. Alternattivament, jista' jintuża ambjent tal-vakwu, jew trabijiet elementali ta' S, Se, jew Te jistgħu jiġu miksija fuq il-wiċċ tas-silikon f'vakwu. L-istadju fil-mira jista' wkoll jiġi mgħaddas fl-ilma. Impulsi femtosekondi (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) iġġenerati minn amplifikatur riġenerattiv tal-lejżer Ti:żaffir huma ffukati minn lenti u irradjati perpendikolarment fuq il-wiċċ tas-silikon (l-enerġija tal-ħruġ tal-lejżer hija kkontrollata minn attenwatur, li jikkonsisti minn pjanċa ta' nofs mewġa u polarizzatur). Billi ċċaqlaq l-istadju fil-mira biex tiskannja l-wiċċ tas-silikon bil-post tal-lejżer, jista' jinkiseb materjal tas-silikon iswed b'erja kbira. Il-bidla fid-distanza bejn il-lenti u l-wejfer tas-silikon tista' taġġusta d-daqs tal-post tad-dawl irradjat fuq il-wiċċ tas-silikon, u b'hekk tbiddel il-fluwenza tal-lejżer; meta d-daqs tal-post ikun kostanti, il-bidla fil-veloċità tal-moviment tal-istadju fil-mira tista' taġġusta n-numru ta' impulsi irradjati fuq unità ta' erja tal-wiċċ tas-silikon. Il-gass tax-xogħol jaffettwa b'mod sinifikanti l-forma tal-mikrostruttura tal-wiċċ tas-silikon. Meta l-gass tax-xogħol ikun kostanti, il-bidla fil-fluwenza tal-lejżer u n-numru ta' impulsi riċevuti għal kull unità ta' erja jistgħu jikkontrollaw l-għoli, il-proporzjon tal-aspett, u l-ispazjar tal-mikrostrutturi.
1.2 Karatteristiċi Mikroskopiċi
Wara l-irradjazzjoni bil-lejżer femtosekond, il-wiċċ tas-silikon kristallin oriġinarjament lixx juri firxa ta' strutturi koniċi żgħar irranġati kważi regolarment. L-uċuħ tal-koni huma fuq l-istess pjan bħall-wiċċ tas-silikon mhux irradjat tal-madwar. Il-forma tal-istruttura konika hija relatata mal-gass tax-xogħol, kif muri fil-Figura 2, fejn l-istrutturi koniċi murija f'(a), (b), u (c) huma ffurmati f'atmosferi SF₆, S, u N₂, rispettivament. Madankollu, id-direzzjoni tal-uċuħ tal-koni hija indipendenti mill-gass u dejjem tipponta fid-direzzjoni tal-inċidenza tal-lejżer, mhux affettwata mill-gravità, u wkoll indipendenti mit-tip ta' doping, ir-reżistività, u l-orjentazzjoni tal-kristall tas-silikon kristallin; il-bażijiet tal-koni huma asimmetriċi, bl-assi qasir tagħhom parallel mad-direzzjoni tal-polarizzazzjoni tal-lejżer. L-istrutturi koniċi ffurmati fl-arja huma l-aktar mhux maħduma, u l-uċuħ tagħhom huma mgħottija b'nanostrutturi dendritiċi saħansitra aktar fini ta' 10–100 nm.
Iktar ma tkun għolja l-fluwenza tal-lejżer u iktar ma jkun kbir in-numru ta' impulsi, iktar isiru għoljin u wesgħin l-istrutturi koniċi. Fil-gass SF6, l-għoli h u l-ispazjar d tal-istrutturi koniċi għandhom relazzjoni mhux lineari, li tista' tiġi espressa bejn wieħed u ieħor bħala h∝dp, fejn p=2.4±0.1; kemm l-għoli h kif ukoll l-ispazjar d jiżdiedu b'mod sinifikanti biż-żieda tal-fluwenza tal-lejżer. Meta l-fluwenza tiżdied minn 5 kJ/m² għal 10 kJ/m², l-ispazjar d jiżdied bi 3 darbiet, u flimkien mar-relazzjoni bejn h u d, l-għoli h jiżdied bi 12-il darba.
Wara ttemprar f'temperatura għolja (1200 K, 3 sigħat) fil-vakwu, l-istrutturi koniċi ta'silikon iswedma nbidlitx b'mod sinifikanti, iżda n-nanostrutturi dendritiċi ta' 10–100 nm fuq il-wiċċ tnaqqsu ħafna. L-ispettroskopija tal-kanalizzazzjoni tal-joni wriet li d-diżordni fuq il-wiċċ koniku naqset wara t-temprar, iżda l-biċċa l-kbira tal-istrutturi diżordinati ma nbidlux taħt dawn il-kundizzjonijiet tat-temprar.
1.3 Mekkaniżmu ta' Formazzjoni
Bħalissa, il-mekkaniżmu tal-formazzjoni tas-silikon iswed mhux ċar. Madankollu, Eric Mazur et al. spekulaw, ibbażati fuq il-bidla fil-forma tal-mikrostruttura tal-wiċċ tas-silikon bl-atmosfera tax-xogħol, li taħt l-istimulazzjoni ta' lejżers femtosekondi ta' intensità għolja, ikun hemm reazzjoni kimika bejn il-gass u l-wiċċ tas-silikon kristallin, li tippermetti li l-wiċċ tas-silikon jiġi inċiż minn ċerti gassijiet, u jifforma koni qawwija. Eric Mazur et al. attribwew il-mekkaniżmi fiżiċi u kimiċi tal-formazzjoni tal-mikrostruttura tal-wiċċ tas-silikon għal: tidwib u ablazzjoni tas-sottostrat tas-silikon ikkawżat minn impulsi tal-lejżer ta' fluwenza għolja; inċiżjoni tas-sottostrat tas-silikon minn joni reattivi u partiċelli ġġenerati mill-kamp qawwi tal-lejżer; u rikristallizzazzjoni tal-parti ablata tas-silikon tas-sottostrat.
L-istrutturi koniċi fuq il-wiċċ tas-silikon huma ffurmati spontanjament, u firxa kważi regolari tista' tiġi ffurmata mingħajr maskra. MY Shen et al. waħħlu xibka tar-ram ta' mikroskopju elettroniku ta' trasmissjoni ta' 2 μm ħoxna mal-wiċċ tas-silikon bħala maskra, u mbagħad irradjaw il-wejfer tas-silikon f'gass SF6 b'lejżer femtosekond. Huma kisbu firxa regolari ħafna ta' strutturi koniċi fuq il-wiċċ tas-silikon, konsistenti mad-disinn tal-maskra (ara Figura 4). Id-daqs tal-apertura tal-maskra jaffettwa b'mod sinifikanti l-arranġament tal-istrutturi koniċi. Id-diffrazzjoni tal-lejżer inċidentali mill-aperturi tal-maskra tikkawża distribuzzjoni mhux uniformi tal-enerġija tal-lejżer fuq il-wiċċ tas-silikon, li tirriżulta f'distribuzzjoni perjodika tat-temperatura fuq il-wiċċ tas-silikon. Dan fl-aħħar mill-aħħar iġiegħel lill-firxa tal-istruttura tal-wiċċ tas-silikon issir regolari.