რევოლუციური ახალი მასალა - შავი სილიკონი

რევოლუციური ახალი მასალა - შავი სილიკონი

შავი სილიციუმი სილიციუმის ახალი ტიპის მასალაა, რომელსაც შესანიშნავი ოპტოელექტრონული თვისებები აქვს. ეს სტატია აჯამებს ერიკ მაზურის და სხვა მკვლევარების მიერ ბოლო წლებში შავი სილიციუმის შესახებ ჩატარებულ კვლევას, დეტალურად აღწერს შავი სილიციუმის მომზადებისა და ფორმირების მექანიზმს, ასევე მის თვისებებს, როგორიცაა შთანთქმა, ლუმინესცენცია, ველის გამოსხივება და სპექტრული რეაქცია. ასევე მიუთითებს შავი სილიციუმის მნიშვნელოვან პოტენციურ გამოყენებაზე ინფრაწითელ დეტექტორებში, მზის უჯრედებსა და ბრტყელპანელურ დისპლეებში.
კრისტალური სილიციუმი ფართოდ გამოიყენება ნახევარგამტარული ინდუსტრიაში მისი უპირატესობების გამო, როგორიცაა გაწმენდის სიმარტივე, დოპირების სიმარტივე და მაღალი ტემპერატურისადმი მდგრადობა. თუმცა, მას ასევე აქვს მრავალი ნაკლი, როგორიცაა ხილული და ინფრაწითელი სინათლის მაღალი არეკვლა მის ზედაპირზე. გარდა ამისა, მისი დიდი ზოლური უფსკრულის გამო,კრისტალური სილიციუმივერ შთანთქავს 1100 ნმ-ზე მეტი ტალღის სიგრძის სინათლეს. როდესაც დაცემული სინათლის ტალღის სიგრძე 1100 ნმ-ზე მეტია, სილიციუმის დეტექტორების შთანთქმის და რეაგირების სიჩქარე მნიშვნელოვნად მცირდება. ამ ტალღის სიგრძეების აღმოსაჩენად უნდა იქნას გამოყენებული სხვა მასალები, როგორიცაა გერმანიუმი და ინდიუმის გალიუმის არსენიდი. თუმცა, მაღალი ღირებულება, ცუდი თერმოდინამიკური თვისებები და კრისტალების ხარისხი, ასევე არსებულ მწიფე სილიციუმის პროცესებთან შეუთავსებლობა ზღუდავს მათ გამოყენებას სილიციუმზე დაფუძნებულ მოწყობილობებში. ამიტომ, კრისტალური სილიციუმის ზედაპირების არეკვლის შემცირება და სილიციუმზე დაფუძნებული და სილიციუმთან თავსებადი ფოტოდეტექტორების აღმოჩენის ტალღის სიგრძის დიაპაზონის გაფართოება კვლავ აქტუალური კვლევის თემაა.

კრისტალური სილიციუმის ზედაპირების არეკვლის შესამცირებლად გამოყენებულია მრავალი ექსპერიმენტული მეთოდი და ტექნიკა, როგორიცაა ფოტოლითოგრაფია, რეაქტიული იონური გრავირება და ელექტროქიმიური გრავირება. ამ ტექნიკას, გარკვეულწილად, შეუძლია შეცვალოს კრისტალური სილიციუმის ზედაპირის და ზედაპირთან ახლოს მდებარე მორფოლოგია, რითაც ამცირებსსილიკონი ზედაპირული არეკვლი. ხილული სინათლის დიაპაზონში, არეკვლის შემცირებამ შეიძლება გაზარდოს შთანთქმა და გააუმჯობესოს მოწყობილობის ეფექტურობა. თუმცა, 1100 ნმ-ზე მეტი ტალღის სიგრძეზე, თუ სილიციუმის ზოლურ უფსკრულში შთანთქმის ენერგიის დონეები არ შეჰყავთ, არეკვლის შემცირება მხოლოდ გამტარობის გაზრდას იწვევს, რადგან სილიციუმის ზოლური უფსკრული საბოლოოდ ზღუდავს მის მიერ გრძელი ტალღის სიგრძის სინათლის შთანთქმას. ამიტომ, სილიციუმის ბაზაზე დაფუძნებული და სილიციუმთან თავსებადი მოწყობილობების მგრძნობიარე ტალღის სიგრძის დიაპაზონის გასაფართოებლად, აუცილებელია ფოტონების შთანთქმის გაზრდა ზოლურ უფსკრულში და ამავდროულად შემცირდეს სილიციუმის ზედაპირული არეკვლი.

1990-იანი წლების ბოლოს, პროფესორმა ერიკ მაზურმა და ჰარვარდის უნივერსიტეტის სხვა თანამშრომლებმა ფემტოწამიანი ლაზერების მატერიასთან ურთიერთქმედების კვლევის დროს მიიღეს ახალი მასალა - შავი სილიციუმი, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 1-ში. შავი სილიციუმის ფოტოელექტრული თვისებების შესწავლისას, ერიკ მაზური და მისი კოლეგები გაკვირვებულები დარჩნენ, როდესაც აღმოაჩინეს, რომ ამ მიკროსტრუქტურირებულ სილიციუმის მასალას გააჩნია უნიკალური ფოტოელექტრული თვისებები. ის შთანთქავს თითქმის მთელ სინათლეს ახლო ულტრაიისფერ და ახლო ინფრაწითელ დიაპაზონში (0.25–2.5 μm), ავლენს შესანიშნავ ხილულ და ახლო ინფრაწითელ ლუმინესცენციის მახასიათებლებს და კარგ ველის ემისიის თვისებებს. ამ აღმოჩენამ სენსაცია გამოიწვია ნახევარგამტარების ინდუსტრიაში, სადაც მსხვილი ჟურნალები იბრძოდნენ მის შესახებ რეპორტაჟებისთვის. 1999 წელს ჟურნალებმა Scientific American და Discover, 2000 წელს Los Angeles Times-ის სამეცნიერო განყოფილებამ და 2001 წელს ჟურნალმა New Scientist გამოაქვეყნეს სტატიები, რომლებშიც განხილული იყო შავი სილიციუმის აღმოჩენა და მისი პოტენციური გამოყენება, რადგან მიაჩნდათ, რომ მას მნიშვნელოვანი პოტენციური ღირებულება ჰქონდა ისეთ სფეროებში, როგორიცაა დისტანციური ზონდირება, ოპტიკური კომუნიკაციები და მიკროელექტრონიკა.

ამჟამად, საფრანგეთიდან ტ. სამეტმა, ირლანდიიდან ანოიფე მ. მოლონიმ, ჩინეთის ფუდანის უნივერსიტეტიდან ჟაო ლიმ და ჩინეთის მეცნიერებათა აკადემიიდან მენ ჰაინინგი ჩაატარეს ვრცელი კვლევა შავი სილიციუმის შესახებ და მიაღწიეს წინასწარ შედეგებს. მასაჩუსეტსში, აშშ-ში მდებარე კომპანია SiOnyx-მა 11 მილიონი დოლარის ოდენობის ვენჩურული კაპიტალიც კი მოიზიდა, რათა სხვა კომპანიებისთვის ტექნოლოგიური განვითარების პლატფორმად გამოეყენებინა და დაიწყო სენსორებზე დაფუძნებული შავი სილიციუმის ვაფლების კომერციული წარმოება, რათა მზა პროდუქცია ახალი თაობის ინფრაწითელი გამოსახულების სისტემებში გამოიყენოს. SiOnyx-ის აღმასრულებელმა დირექტორმა, სტივენ სეილორმა, განაცხადა, რომ შავი სილიციუმის ტექნოლოგიის დაბალი ღირებულება და მაღალი მგრძნობელობის უპირატესობები აუცილებლად მიიპყრობს კვლევისა და სამედიცინო გამოსახულების ბაზრებზე ორიენტირებული კომპანიების ყურადღებას. მომავალში, ის შეიძლება შევიდეს მრავალმილიარდიანი ციფრული კამერებისა და ვიდეოკამერების ბაზარზეც კი. SiOnyx ამჟამად ასევე ექსპერიმენტებს ატარებს შავი სილიციუმის ფოტოელექტრული თვისებებით და დიდი ალბათობით,შავი სილიკონიმომავალში გამოყენებული იქნება მზის უჯრედებში. 1. შავი სილიციუმის ფორმირების პროცესი

1.1 მომზადების პროცესი

ერთკრისტალური სილიციუმის ვაფლები თანმიმდევრულად იწმინდება ტრიქლორეთილენით, აცეტონითა და მეთანოლით, შემდეგ კი ვაკუუმურ კამერაში სამგანზომილებიან მოძრავ სამიზნე სცენაზე თავსდება. ვაკუუმური კამერის ფუძის წნევა 1.3 × 10⁻² პა-ზე ნაკლებია. სამუშაო აირი შეიძლება იყოს SF₆, Cl₂, N₂, ჰაერი, H₂S, H₂, SiH₄ და ა.შ., 6.7 × 10⁴ პა სამუშაო წნევით. ალტერნატიულად, შეიძლება გამოყენებულ იქნას ვაკუუმური გარემო, ან S, Se ან Te ელემენტარული ფხვნილები შეიძლება დაიფაროს სილიციუმის ზედაპირზე ვაკუუმში. სამიზნე სცენა ასევე შეიძლება წყალში ჩაძირვა. Ti:საფირონის ლაზერული რეგენერაციული გამაძლიერებლის მიერ გენერირებული ფემტოწამიანი იმპულსები (800 ნმ, 100 ფ/წმ, 500 μJ, 1 კჰც), ფოკუსირებულია ლინზით და პერპენდიკულარულად ისხივება სილიციუმის ზედაპირზე (ლაზერის გამომავალი ენერგია კონტროლდება შესუსტების საშუალებით, რომელიც შედგება ნახევარტალღური ფირფიტისა და პოლარიზატორისგან). სილიციუმის ზედაპირის ლაზერული ლაქით სკანირებისთვის სამიზნე ეტაპის გადაადგილებით შესაძლებელია დიდი ფართობის შავი სილიციუმის მასალის მიღება. ლინზასა და სილიციუმის ვაფლს შორის მანძილის შეცვლით შესაძლებელია სილიციუმის ზედაპირზე დასხივებული სინათლის ლაქის ზომის რეგულირება, რითაც იცვლება ლაზერული ნაკადი; როდესაც ლაქის ზომა მუდმივია, სამიზნე ეტაპის გადაადგილების სიჩქარის შეცვლით შესაძლებელია სილიციუმის ზედაპირის ერთეულ ფართობზე დასხივებული იმპულსების რაოდენობის რეგულირება. სამუშაო აირი მნიშვნელოვნად მოქმედებს სილიციუმის ზედაპირის მიკროსტრუქტურის ფორმაზე. როდესაც სამუშაო აირი მუდმივია, ლაზერული ნაკადის და ერთეულ ფართობზე მიღებული იმპულსების რაოდენობის შეცვლით შესაძლებელია მიკროსტრუქტურების სიმაღლის, ასპექტის თანაფარდობის და დაშორების კონტროლი.

1.2 მიკროსკოპული მახასიათებლები

ფემტოწამიანი ლაზერული დასხივების შემდეგ, თავდაპირველად გლუვი კრისტალური სილიციუმის ზედაპირი ავლენს კვაზი-რეგულარულად განლაგებული პაწაწინა კონუსური სტრუქტურების მასივს. კონუსის ზედაპირები იმავე სიბრტყეზეა, როგორც მიმდებარე დასხივებული სილიციუმის ზედაპირი. კონუსური სტრუქტურის ფორმა დაკავშირებულია სამუშაო გაზთან, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 2-ში, სადაც (ა), (ბ) და (გ)-ში ნაჩვენები კონუსური სტრუქტურები წარმოიქმნება შესაბამისად SF₆, S და N₂ ატმოსფეროებში. თუმცა, კონუსის ზედაპირების მიმართულება დამოუკიდებელია გაზისგან და ყოველთვის მიუთითებს ლაზერის დაცემის მიმართულებით, გრავიტაციის გავლენის გარეშე და ასევე დამოუკიდებელია დოპირების ტიპის, წინაღობისა და კრისტალური სილიციუმის კრისტალური ორიენტაციისგან; კონუსის ფუძეები ასიმეტრიულია, მათი მოკლე ღერძი პარალელურია ლაზერული პოლარიზაციის მიმართულებასთან. ჰაერში წარმოქმნილი კონუსური სტრუქტურები ყველაზე უხეშია და მათი ზედაპირები დაფარულია კიდევ უფრო წვრილი დენდრიტული ნანოსტრუქტურებით 10–100 ნმ.

რაც უფრო მაღალია ლაზერული ნაკადი და რაც უფრო მეტია იმპულსების რაოდენობა, მით უფრო მაღალი და ფართო ხდება კონუსური სტრუქტურები. SF6 აირში, კონუსური სტრუქტურების სიმაღლეს h და დაშორებას d არაწრფივი დამოკიდებულება აქვთ, რომელიც დაახლოებით შეიძლება გამოისახოს როგორც h∝dp, სადაც p=2.4±0.1; როგორც სიმაღლე h, ასევე დაშორება d მნიშვნელოვნად იზრდება ლაზერული ნაკადის ზრდასთან ერთად. როდესაც ნაკადი იზრდება 5 კჯ/მ²-დან 10 კჯ/მ²-მდე, დაშორება d იზრდება 3-ჯერ და h-სა და d-ს შორის დამოკიდებულებასთან ერთად, სიმაღლე h იზრდება 12-ჯერ.

ვაკუუმში მაღალტემპერატურული გახურების (1200 K, 3 სთ) შემდეგ, კონუსური სტრუქტურებიშავი სილიკონიმნიშვნელოვნად არ შეცვლილა, მაგრამ ზედაპირზე არსებული 10–100 ნმ დენდრიტული ნანოსტრუქტურები მნიშვნელოვნად შემცირდა. იონური არხების სპექტროსკოპიამ აჩვენა, რომ კონუსურ ზედაპირზე არსებული უწესრიგობა შემცირდა გაცხელების შემდეგ, მაგრამ უწესრიგო სტრუქტურების უმეტესობა არ შეცვლილა ამ გაცხელების პირობებში.

1.3 ფორმირების მექანიზმი

ამჟამად, შავი სილიციუმის ფორმირების მექანიზმი გაურკვეველია. თუმცა, ერიკ მაზურმა და სხვებმა, სამუშაო ატმოსფეროსთან სილიციუმის ზედაპირის მიკროსტრუქტურის ფორმის ცვლილების საფუძველზე, ივარაუდეს, რომ მაღალი ინტენსივობის ფემტოწამიანი ლაზერების სტიმულაციის დროს, გაზსა და კრისტალური სილიციუმის ზედაპირს შორის ქიმიური რეაქცია მიმდინარეობს, რაც საშუალებას იძლევა სილიციუმის ზედაპირი გარკვეული აირების მიერ იყოს ამოტვიფრული, რაც ბასრი კონუსების წარმოქმნას უწყობს ხელს. ერიკ მაზურმა და სხვებმა სილიციუმის ზედაპირის მიკროსტრუქტურის ფორმირების ფიზიკურ და ქიმიურ მექანიზმებს მიაწერეს: მაღალი ნაკადის ლაზერული იმპულსებით გამოწვეული სილიციუმის სუბსტრატის დნობას და აბლაციას; ძლიერი ლაზერული ველის მიერ წარმოქმნილი რეაქტიული იონებითა და ნაწილაკებით სილიციუმის სუბსტრატის ამოტვიფრვას; და სუბსტრატის სილიციუმის აბლირებული ნაწილის რეკრისტალიზაციას.

სილიციუმის ზედაპირზე კონუსური სტრუქტურები სპონტანურად წარმოიქმნება და კვაზი-რეგულარული მასივის ფორმირება შესაძლებელია ნიღბის გარეშე. MY Shen-მა და სხვებმა სილიციუმის ზედაპირზე ნიღბის სახით 2 მკმ სისქის გამტარი ელექტრონული მიკროსკოპის სპილენძის ბადე მიამაგრეს და შემდეგ სილიციუმის ვაფლი SF6 გაზში ფემტოწამიანი ლაზერით დასხივეს. მათ სილიციუმის ზედაპირზე მიიღეს კონუსური სტრუქტურების ძალიან რეგულარულად განლაგებული მასივი, რომელიც შეესაბამება ნიღბის ნიმუშს (იხ. სურათი 4). ნიღბის აპერტურის ზომა მნიშვნელოვნად მოქმედებს კონუსური სტრუქტურების განლაგებაზე. ნიღბის აპერტურებით დაცემული ლაზერის დიფრაქცია იწვევს ლაზერული ენერგიის არათანაბარ განაწილებას სილიციუმის ზედაპირზე, რაც იწვევს სილიციუმის ზედაპირზე ტემპერატურის პერიოდულ განაწილებას. ეს საბოლოოდ აიძულებს სილიციუმის ზედაპირის სტრუქტურის მასივს რეგულარულად იქცეს.