'n Revolusionêre Nuwe Materiaal – Swart Silikon
Swart silikon is 'n nuwe tipe silikonmateriaal met uitstekende opto-elektroniese eienskappe. Hierdie artikel som die navorsingswerk oor swart silikon deur Eric Mazur en ander navorsers in onlangse jare op, en beskryf die voorbereiding en vormingsmeganisme van swart silikon, sowel as die eienskappe daarvan soos absorpsie, luminessensie, veldemissie en spektrale reaksie. Dit wys ook op die belangrike potensiële toepassings van swart silikon in infrarooi detektors, sonselle en platskermskerms.
Kristallyne silikon word wyd gebruik in die halfgeleierbedryf as gevolg van sy voordele soos gemak van suiwering, gemak van doping en hoë temperatuurweerstand. Dit het egter ook baie nadele, soos hoë reflektiwiteit van sigbare en infrarooi lig op sy oppervlak. Verder, as gevolg van sy groot bandgaping,kristallyne silikonkan nie lig met golflengtes groter as 1100 nm absorbeer nie. Wanneer die golflengte van invallende lig groter as 1100 nm is, word die absorpsie- en reaksietempo van silikondetektors aansienlik verminder. Ander materiale soos germanium en indiumgalliumarsenied moet gebruik word om hierdie golflengtes op te spoor. Die hoë koste, swak termodinamiese eienskappe en kristalkwaliteit, en onverenigbaarheid met bestaande volwasse silikonprosesse beperk egter hul toepassing in silikon-gebaseerde toestelle. Daarom bly die vermindering van die weerkaatsing van kristallyne silikonoppervlaktes en die uitbreiding van die deteksiegolflengtebereik van silikon-gebaseerde en silikon-versoenbare fotodetektors 'n warm navorsingsonderwerp.
Om die weerkaatsing van kristallyne silikonoppervlaktes te verminder, is baie eksperimentele metodes en tegnieke gebruik, soos fotolitografie, reaktiewe ioonetsing en elektrochemiese etsing. Hierdie tegnieke kan tot 'n mate die oppervlak- en naby-oppervlakmorfologie van kristallyne silikon verander, en sodoende die weerkaatsing verminder.silikon oppervlakweerkaatsing. In die sigbare ligbereik kan die vermindering van weerkaatsing absorpsie verhoog en toesteldoeltreffendheid verbeter. By golflengtes van meer as 1100 nm, indien geen absorpsie-energievlakke in die silikonbandgaping ingebring word nie, lei verminderde weerkaatsing egter slegs tot verhoogde transmissie, omdat die bandgaping van silikon uiteindelik die absorpsie van langgolflengtelig beperk. Om die sensitiewe golflengtebereik van silikon-gebaseerde en silikon-versoenbare toestelle uit te brei, is dit dus nodig om fotonabsorpsie binne die bandgaping te verhoog terwyl die silikonoppervlakweerkaatsing gelyktydig verminder word.
In die laat 1990's het professor Eric Mazur en ander aan die Harvard Universiteit 'n nuwe materiaal – swart silikon – verkry tydens hul navorsing oor die interaksie van femtosekonde-lasers met materie, soos getoon in Figuur 1. Terwyl hulle die fotoëlektriese eienskappe van swart silikon bestudeer het, was Eric Mazur en sy kollegas verbaas om te ontdek dat hierdie mikrogestruktureerde silikonmateriaal unieke fotoëlektriese eienskappe besit. Dit absorbeer byna alle lig in die nabye-ultraviolet- en nabye-infrarooi-reeks (0.25–2.5 μm) en vertoon uitstekende sigbare en nabye-infrarooi luminessensie-eienskappe en goeie veldemissie-eienskappe. Hierdie ontdekking het 'n opskudding in die halfgeleierbedryf veroorsaak, met groot tydskrifte wat meegeding het om daaroor te berig. In 1999 het Scientific American en Discover-tydskrifte, in 2000 die Los Angeles Times-wetenskapsafdeling en in 2001 New Scientist-tydskrif almal hoofartikels gepubliseer wat die ontdekking van swart silikon en die potensiële toepassings daarvan bespreek het, in die oortuiging dat dit beduidende potensiële waarde het in velde soos afstandwaarneming, optiese kommunikasie en mikro-elektronika.
Tans het T. Samet van Frankryk, Anoife M. Moloney van Ierland, Zhao Li van Fudan Universiteit in China, en Men Haining van die Chinese Akademie vir Wetenskappe almal uitgebreide navorsing oor swart silikon gedoen en voorlopige resultate behaal. SiOnyx, 'n maatskappy in Massachusetts, VSA, het selfs $11 miljoen in waagkapitaal ingesamel om as 'n tegnologie-ontwikkelingsplatform vir ander maatskappye te dien, en het kommersiële produksie van sensor-gebaseerde swart silikonwafers begin, ter voorbereiding om die finale produkte in die volgende generasie infrarooi beeldstelsels te gebruik. Stephen Saylor, uitvoerende hoof van SiOnyx, het gesê dat die lae koste en hoë sensitiwiteitsvoordele van swart silikontegnologie onvermydelik die aandag sal trek van maatskappye wat op navorsing en mediese beeldmarkte fokus. In die toekoms kan dit selfs die multimiljard dollar digitale kamera- en videokameramark betree. SiOnyx eksperimenteer tans ook met die fotovoltaïese eienskappe van swart silikon, en dit is hoogs waarskynlik datswart silikonsal in die toekoms in sonselle gebruik word. 1. Vormingsproses van Swart Silikon
1.1 Voorbereidingsproses
Enkelkristal silikonwafels word opeenvolgend skoongemaak met trichloretileen, asetoon en metanol, en dan op 'n driedimensioneel beweegbare teikenstadium in 'n vakuumkamer geplaas. Die basisdruk van die vakuumkamer is minder as 1.3 × 10⁻² Pa. Die werkgas kan SF₆, Cl₂, N₂, lug, H₂S, H₂, SiH₄, ens. wees, met 'n werkdruk van 6.7 × 10⁴ Pa. Alternatiewelik kan 'n vakuumomgewing gebruik word, of elementêre poeiers van S, Se of Te kan in 'n vakuum op die silikonoppervlak bedek word. Die teikenstadium kan ook in water gedompel word. Femtosekonde-pulse (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) wat deur 'n Ti:saffier-laserregeneratiewe versterker gegenereer word, word deur 'n lens gefokus en loodreg op die silikonoppervlak bestraal (die laseruitsetenergie word beheer deur 'n verswakker, wat bestaan uit 'n halfgolfplaat en 'n polarisator). Deur die teikenstadium te beweeg om die silikonoppervlak met die laservlek te skandeer, kan grootskaalse swart silikonmateriaal verkry word. Deur die afstand tussen die lens en die silikonwafel te verander, kan die grootte van die ligvlek wat op die silikonoppervlak bestraal word, aangepas word, waardeur die laserfluens verander word; wanneer die kolgrootte konstant is, kan die verandering van die bewegingspoed van die teikenstadium die aantal pulse wat op 'n eenheidsoppervlakte van die silikonoppervlak bestraal word, aanpas. Die werkgas beïnvloed die vorm van die silikonoppervlakmikrostruktuur aansienlik. Wanneer die werkgas konstant is, kan die verandering van die laserfluens en die aantal pulse wat per eenheidsoppervlakte ontvang word, die hoogte, aspekverhouding en spasiëring van die mikrostrukture beheer.
1.2 Mikroskopiese Eienskappe
Na femtosekonde laserbestraling vertoon die oorspronklik gladde kristallyne silikonoppervlak 'n reeks kwasi-reëlmatig gerangskikte klein koniese strukture. Die keëltoppe is op dieselfde vlak as die omliggende onbestraalde silikonoppervlak. Die vorm van die koniese struktuur hou verband met die werkgas, soos getoon in Figuur 2, waar die koniese strukture wat in (a), (b) en (c) getoon word, onderskeidelik in SF₆-, S- en N₂-atmosfere gevorm word. Die rigting van die keëltoppe is egter onafhanklik van die gas en wys altyd in die rigting van laserinval, onaangeraak deur swaartekrag, en ook onafhanklik van die doteringstipe, weerstand en kristaloriëntasie van die kristallyne silikon; die keëlbasisse is asimmetries, met hul kort as parallel met die laserpolarisasierigting. Die koniese strukture wat in lug gevorm word, is die grofste, en hul oppervlaktes is bedek met selfs fyner dendritiese nanostrukture van 10–100 nm.
Hoe hoër die laserfluens en hoe groter die aantal pulse, hoe hoër en breër word die koniese strukture. In SF6-gas het die hoogte h en spasiëring d van die koniese strukture 'n nie-lineêre verhouding, wat benaderd uitgedruk kan word as h∝dp, waar p=2.4±0.1; beide hoogte h en spasiëring d neem aansienlik toe met toenemende laserfluens. Wanneer die fluens toeneem van 5 kJ/m² tot 10 kJ/m², neem die spasiëring d met 3 keer toe, en gekombineer met die verhouding tussen h en d, neem die hoogte h met 12 keer toe.
Na hoëtemperatuur-uitgloeiing (1200 K, 3 uur) in 'n vakuum, is die koniese strukture vanswart silikonhet nie beduidend verander nie, maar die 10–100 nm dendritiese nanostrukture op die oppervlak is aansienlik verminder. Ioonkanaliseringspektroskopie het getoon dat die wanorde op die koniese oppervlak na uitgloeiing afgeneem het, maar die meeste van die wanordelike strukture het nie onder hierdie uitgloeiingstoestande verander nie.
1.3 Vormingsmeganisme
Tans is die vormingsmeganisme van swart silikon nie duidelik nie. Eric Mazur et al. het egter gespekuleer, gebaseer op die verandering in die vorm van die silikonoppervlakmikrostruktuur met die werksatmosfeer, dat daar onder die stimulasie van hoë-intensiteit femtosekonde lasers 'n chemiese reaksie tussen die gas en die kristallyne silikonoppervlak plaasvind, wat toelaat dat die silikonoppervlak deur sekere gasse geëts word en skerp keëls vorm. Eric Mazur et al. het die fisiese en chemiese meganismes van silikonoppervlakmikrostruktuurvorming toegeskryf aan: smelting en ablasie van die silikonsubstraat veroorsaak deur hoëfluens laserpulse; etsing van die silikonsubstraat deur reaktiewe ione en deeltjies wat deur die sterk laserveld gegenereer word; en herkristallisasie van die geablateerde deel van die substraat silikon.
Die koniese strukture op die silikonoppervlak word spontaan gevorm, en 'n kwasi-reëlmatige skikking kan sonder 'n masker gevorm word. MY Shen et al. het 'n 2 μm dik transmissie-elektronmikroskoop kopergaas aan die silikonoppervlak as 'n masker geheg, en toe die silikonwafel in SF6-gas met 'n femtosekonde laser bestraal. Hulle het 'n baie gereeld gerangskikte skikking van koniese strukture op die silikonoppervlak verkry, wat ooreenstem met die maskerpatroon (sien Figuur 4). Die openinggrootte van die masker beïnvloed die rangskikking van die koniese strukture aansienlik. Die diffraksie van die invallende laser deur die maskeropeninge veroorsaak 'n nie-uniforme verspreiding van laserenergie op die silikonoppervlak, wat lei tot 'n periodieke temperatuurverspreiding op die silikonoppervlak. Dit dwing uiteindelik die silikonoppervlakstruktuurskikking om gereeld te word.