Inqilobiy yangi material - qora kremniy
Qora kremniy - bu ajoyib optoelektron xususiyatlarga ega bo'lgan yangi turdagi kremniy materialidir. Ushbu maqolada Erik Mazur va boshqa tadqiqotchilar tomonidan so'nggi yillarda qora kremniy bo'yicha olib borilgan tadqiqot ishlari umumlashtirilib, qora kremniyni tayyorlash va hosil bo'lish mexanizmi, shuningdek, uning yutilish, lyuminestsentsiya, maydon emissiyasi va spektral javob kabi xususiyatlari batafsil bayon etilgan. Shuningdek, unda infraqizil detektorlar, quyosh batareyalari va yassi panelli displeylarda qora kremniyning muhim potentsial qo'llanilishi ko'rsatilgan.
Kristall kremniy tozalashning osonligi, qo'shilishning osonligi va yuqori haroratga chidamliligi kabi afzalliklari tufayli yarimo'tkazgichlar sanoatida keng qo'llaniladi. Biroq, uning ko'plab kamchiliklari ham bor, masalan, uning yuzasida ko'rinadigan va infraqizil nurlarning yuqori aks ettirish qobiliyati. Bundan tashqari, katta polosali oralig'i tufayli,kristalli kremniy1100 nm dan katta to'lqin uzunlikdagi yorug'likni yuta olmaydi. Tushayotgan yorug'likning to'lqin uzunligi 1100 nm dan katta bo'lganda, kremniy detektorlarining yutish va javob berish tezligi sezilarli darajada kamayadi. Ushbu to'lqin uzunliklarini aniqlash uchun germaniy va indiy galliy arsenidi kabi boshqa materiallardan foydalanish kerak. Biroq, yuqori narx, yomon termodinamik xususiyatlar va kristall sifati hamda mavjud yetuk kremniy jarayonlari bilan mos kelmasligi ularning kremniy asosidagi qurilmalarda qo'llanilishini cheklaydi. Shuning uchun, kristalli kremniy sirtlarining aksini kamaytirish va kremniy asosidagi va kremniyga mos keladigan fotodetektorlarning aniqlash to'lqin uzunligi diapazonini kengaytirish dolzarb tadqiqot mavzusi bo'lib qolmoqda.
Kristall kremniy sirtlarining akslanishini kamaytirish uchun fotolitografiya, reaktiv ionli o'yish va elektrokimyoviy o'yish kabi ko'plab eksperimental usullar va texnikalar qo'llanilgan. Bu texnikalar ma'lum darajada kristall kremniyning sirt va sirtga yaqin morfologiyasini o'zgartirishi va shu bilan kamaytirishi mumkin.kremniy sirt aksi. Ko'rinadigan yorug'lik diapazonida aksni kamaytirish yutilishni oshirishi va qurilma samaradorligini oshirishi mumkin. Biroq, 1100 nm dan ortiq to'lqin uzunliklarida, agar kremniy tasma oralig'iga yutilish energiyasi darajasi kiritilmasa, aksni kamaytirish faqat uzatishning oshishiga olib keladi, chunki kremniyning tasma oralig'i oxir-oqibat uning uzun to'lqinli yorug'likning yutilishini cheklaydi. Shuning uchun, kremniy asosidagi va kremniyga mos keladigan qurilmalarning sezgir to'lqin uzunligi diapazonini kengaytirish uchun, kremniy sirt aksini bir vaqtning o'zida kamaytirish bilan birga, tasma oralig'idagi fotonlarning yutilishini oshirish kerak.
1990-yillarning oxirlarida, professor Erik Mazur va Garvard universitetidagi boshqalar 1-rasmda ko'rsatilganidek, femtosekund lazerlarining materiya bilan o'zaro ta'sirini o'rganish bo'yicha tadqiqotlar davomida yangi material - qora kremniyni olishdi. Qora kremniyning fotoelektrik xususiyatlarini o'rganayotganda, Erik Mazur va uning hamkasblari ushbu mikrostrukturali kremniy materialining noyob fotoelektrik xususiyatlarga ega ekanligini aniqlab hayron bo'lishdi. U deyarli barcha yorug'likni yaqin ultrabinafsha va yaqin infraqizil diapazonda (0,25–2,5 mkm) yutadi, ajoyib ko'rinadigan va yaqin infraqizil lyuminestsentsiya xususiyatlarini va yaxshi maydon emissiya xususiyatlarini namoyish etadi. Bu kashfiyot yarimo'tkazgichlar sanoatida shov-shuvga sabab bo'ldi, yirik jurnallar bu haqda xabar berish uchun raqobatlashdilar. 1999-yilda Scientific American va Discover jurnallari, 2000-yilda Los Angeles Times ilmiy bo'limi va 2001-yilda New Scientist jurnali qora kremniyning kashf etilishi va uning potentsial qo'llanilishi haqida maqolalar chop etdilar, uni masofaviy zondlash, optik aloqa va mikroelektronika kabi sohalarda katta potentsial qiymatga ega deb hisoblashdi.
Hozirda Fransiyadan T. Samet, Irlandiyadan Anoife M. Moloney, Xitoyning Fudan universitetidan Zhao Li va Xitoy Fanlar akademiyasidan Men Xayning qora kremniy bo'yicha keng ko'lamli tadqiqotlar olib borishdi va dastlabki natijalarga erishdilar. AQShning Massachusets shtatidagi SiOnyx kompaniyasi boshqa kompaniyalar uchun texnologiyalarni ishlab chiqish platformasi sifatida xizmat qilish uchun hatto 11 million dollarlik venchur kapitalini jalb qildi va tayyor mahsulotlarni keyingi avlod infraqizil tasvirlash tizimlarida ishlatishga tayyorlanib, sensorga asoslangan qora kremniy plitalarini tijorat maqsadlarida ishlab chiqarishni boshladi. SiOnyx bosh direktori Stiven Saylor qora kremniy texnologiyasining arzonligi va yuqori sezgirlik afzalliklari muqarrar ravishda tadqiqot va tibbiy tasvirlash bozorlariga yo'naltirilgan kompaniyalarning e'tiborini jalb qilishini ta'kidladi. Kelajakda u hatto ko'p milliard dollarlik raqamli kamera va videokamera bozoriga ham kirishi mumkin. SiOnyx hozirda qora kremniyning fotovoltaik xususiyatlari bilan tajriba o'tkazmoqda va bu juda katta ehtimol bilan...qora kremniykelajakda quyosh batareyalarida qo'llaniladi. 1. Qora kremniyning hosil bo'lish jarayoni
1.1 Tayyorlash jarayoni
Monokristall kremniy plitalari ketma-ket trixloretilen, aseton va metanol bilan tozalanadi va keyin vakuum kamerasida uch o'lchovli harakatlanuvchi nishon bosqichiga joylashtiriladi. Vakuum kamerasining asosiy bosimi 1,3 × 10⁻² Pa dan kam. Ishchi gaz SF₆, Cl₂, N₂, havo, H₂S, H₂, SiH₄ va boshqalar bo'lishi mumkin, ish bosimi esa 6,7 × 10⁴ Pa. Shu bilan bir qatorda, vakuum muhitidan foydalanish yoki vakuumda kremniy yuzasiga S, Se yoki Te elementar kukunlarini qoplash mumkin. Nishon bosqichni suvga ham botirish mumkin. Ti: sapfir lazer regenerativ kuchaytirgichi tomonidan hosil qilingan femtosekund impulslari (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) linza tomonidan fokuslanadi va kremniy yuzasiga perpendikulyar ravishda nurlantiriladi (lazer chiqish energiyasi yarim to'lqinli plastinka va polyarizatordan iborat susaytirgich tomonidan boshqariladi). Maqsadli bosqichni lazer nuqtasi bilan kremniy yuzasini skanerlash uchun harakatlantirish orqali katta maydonli qora kremniy materialini olish mumkin. Linza va kremniy plastinkasi orasidagi masofani o'zgartirish kremniy yuzasida nurlantirilgan yorug'lik nuqtasining o'lchamini sozlashi va shu bilan lazer oqimini o'zgartirishi mumkin; nuqta o'lchami doimiy bo'lganda, maqsadli bosqichning harakatlanish tezligini o'zgartirish kremniy yuzasining birlik maydonida nurlantirilgan impulslar sonini sozlashi mumkin. Ishchi gaz kremniy yuzasi mikrotuzilmasining shakliga sezilarli darajada ta'sir qiladi. Ishchi gaz doimiy bo'lganda, lazer oqimini va birlik maydoniga qabul qilingan impulslar sonini o'zgartirish mikrotuzilmalarning balandligini, tomonlar nisbatini va oralig'ini boshqarishi mumkin.
1.2 Mikroskopik xususiyatlar
Femtosekund lazer nurlanishidan so'ng, dastlab silliq kristalli kremniy yuzasi kvazi-muntazam joylashtirilgan mayda konussimon tuzilmalar majmuasini namoyish etadi. Konusning uchlari atrofdagi nurlanmagan kremniy yuzasi bilan bir xil tekislikda joylashgan. Konussimon strukturaning shakli ishchi gaz bilan bog'liq, 2-rasmda ko'rsatilganidek, bu yerda (a), (b) va (c) da ko'rsatilgan konussimon tuzilmalar mos ravishda SF₆, S va N₂ atmosferalarida hosil bo'ladi. Biroq, konusning uchlarining yo'nalishi gazdan mustaqil va har doim lazer tushish yo'nalishiga qaratilgan, tortishish kuchi ta'sir qilmaydi, shuningdek, kristalli kremniyning qo'shilish turi, qarshiligi va kristal yo'nalishiga bog'liq emas; konus asoslari assimetrik bo'lib, ularning qisqa o'qi lazer polyarizatsiyasi yo'nalishiga parallel. Havoda hosil bo'lgan konussimon tuzilmalar eng qo'pol va ularning sirtlari 10–100 nm dan ham nozikroq dendritik nanostrukturalar bilan qoplangan.
Lazer oqimi qanchalik yuqori va impulslar soni qancha ko'p bo'lsa, konussimon tuzilmalar shunchalik baland va kengroq bo'ladi. SF6 gazida konussimon tuzilmalarning balandligi h va oralig'i d chiziqli bo'lmagan bog'liqlikka ega, uni taxminan h∝dp sifatida ifodalash mumkin, bu yerda p=2.4±0.1; lazer oqimining oshishi bilan balandlik h ham, oralig'i d ham sezilarli darajada oshadi. Oqim 5 kJ/m² dan 10 kJ/m² gacha oshganda, oralig'i d 3 baravar oshadi va h va d o'rtasidagi bog'liqlik bilan birlashtirilganda, balandlik h 12 baravar oshadi.
Vakuumda yuqori haroratda (1200 K, 3 soat) tavlangandan so'ng, konussimon tuzilmalarqora kremniysezilarli darajada o'zgarmadi, ammo sirtdagi 10–100 nm dendritik nanostrukturalar sezilarli darajada kamaydi. Ion kanal spektroskopiyasi shuni ko'rsatdiki, konussimon sirtdagi tartibsizlik tavlangandan keyin kamaydi, ammo tartibsiz tuzilmalarning aksariyati bu tavlanish sharoitida o'zgarmadi.
1.3 Shakllanish mexanizmi
Hozirgi vaqtda qora kremniyning hosil bo'lish mexanizmi aniq emas. Biroq, Erik Mazur va boshqalar, ishchi atmosfera bilan kremniy yuzasi mikrotuzilmasi shaklining o'zgarishiga asoslanib, yuqori intensivlikdagi femtosekund lazerlarning stimulyatsiyasi ostida gaz va kristalli kremniy yuzasi o'rtasida kimyoviy reaksiya sodir bo'ladi, bu esa kremniy yuzasining ma'lum gazlar tomonidan o'yib ishlanganligiga va o'tkir konuslar hosil bo'lishiga imkon beradi, deb taxmin qilishdi. Erik Mazur va boshqalar kremniy yuzasi mikrotuzilmasining hosil bo'lishining fizik va kimyoviy mexanizmlarini quyidagilarga bog'ladilar: yuqori oqimli lazer impulslari natijasida kremniy substratining erishi va ablatsiyasi; kuchli lazer maydoni tomonidan hosil bo'lgan reaktiv ionlar va zarrachalar tomonidan kremniy substratining o'yib ishlanganligi; va substrat kremniyning ablatsiyalangan qismining qayta kristallanishi.
Kremniy yuzasidagi konussimon tuzilmalar o'z-o'zidan hosil bo'ladi va niqobsiz kvazi-muntazam massiv hosil bo'lishi mumkin. MY Shen va boshqalar kremniy yuzasiga niqob sifatida 2 mkm qalinlikdagi transmission elektron mikroskop mis to'rini biriktirdilar va keyin kremniy plastinkasini SF6 gazida femtosekund lazer bilan nurlantirdilar. Ular kremniy yuzasida niqob naqshiga mos keladigan juda muntazam ravishda joylashtirilgan konussimon tuzilmalar massivini olishdi (4-rasmga qarang). Niqobning diafragma o'lchami konussimon tuzilmalarning joylashishiga sezilarli ta'sir qiladi. Niqob teshiklari tomonidan tushuvchi lazerning difraksiyalanishi kremniy yuzasida lazer energiyasining notekis taqsimlanishiga olib keladi, natijada kremniy yuzasida davriy harorat taqsimoti yuzaga keladi. Bu oxir-oqibat kremniy yuzasi strukturasi massivini muntazam holga keltirishga majbur qiladi.