Usa ka Rebolusyonaryong Bag-ong Materyal – Itom nga Silikon
Ang itom nga silicon usa ka bag-ong klase sa materyal nga silicon nga adunay maayo kaayong optoelectronic nga mga kabtangan. Kini nga artikulo nagsumaryo sa panukiduki ni Eric Mazur ug uban pang mga tigdukiduki sa itom nga silicon sa bag-ohay nga mga tuig, nga nagdetalye sa mekanismo sa pag-andam ug pagporma sa itom nga silicon, ingon man ang mga kabtangan niini sama sa absorption, luminescence, field emission, ug spectral response. Gipunting usab niini ang hinungdanon nga potensyal nga aplikasyon sa itom nga silicon sa mga infrared detector, solar cell, ug flat-panel display.
Ang crystalline silicon kay kaylap nga gigamit sa industriya sa semiconductor tungod sa mga bentaha niini sama sa kadali sa pagputli, kadali sa pag-doping, ug resistensya sa taas nga temperatura. Bisan pa, daghan usab kini nga mga disbentaha, sama sa taas nga reflectivity sa makita ug infrared nga kahayag sa ibabaw niini. Dugang pa, tungod sa dako nga band gap niini,kristal nga silikondili makasuhop sa kahayag nga adunay mga wavelength nga labaw sa 1100 nm. Kung ang wavelength sa incident light labaw sa 1100 nm, ang absorption ug response rate sa mga silicon detector mokunhod pag-ayo. Ang ubang mga materyales sama sa germanium ug indium gallium arsenide kinahanglan gamiton aron makamatikod niini nga mga wavelength. Bisan pa, ang taas nga gasto, ubos nga thermodynamic properties ug kalidad sa kristal, ug ang dili pagkaangay sa kasamtangan nga hamtong nga mga proseso sa silicon naglimite sa ilang aplikasyon sa mga aparato nga nakabase sa silicon. Busa, ang pagkunhod sa repleksyon sa mga nawong sa crystalline silicon ug pagpalapad sa detection wavelength range sa mga photodetector nga nakabase sa silicon ug silicon-compatible nagpabilin nga usa ka mainit nga hilisgutan sa panukiduki.
Aron makunhuran ang repleksyon sa mga nawong sa crystalline silicon, daghang mga pamaagi ug teknik sa eksperimento ang gigamit, sama sa photolithography, reactive ion etching, ug electrochemical etching. Kini nga mga teknik, sa pila ka sukod, makausab sa morpolohiya sa nawong ug duol sa nawong sa crystalline silicon, sa ingon makunhuran angsilicon repleksyon sa nawong. Sa makita nga range sa kahayag, ang pagkunhod sa repleksyon makadugang sa pagsuhop ug makapaayo sa kahusayan sa aparato. Bisan pa, sa mga wavelength nga molapas sa 1100 nm, kung walay lebel sa enerhiya sa pagsuhop nga gipaila sa silicon band gap, ang pagkunhod sa repleksyon mosangpot lamang sa dugang nga transmission, tungod kay ang band gap sa silicon sa katapusan naglimite sa pagsuhop niini sa long-wavelength nga kahayag. Busa, aron mapalapdan ang sensitibo nga range sa wavelength sa mga aparato nga nakabase sa silicon ug silicon-compatible, gikinahanglan nga dugangan ang pagsuhop sa photon sulod sa band gap samtang dungan nga gipakunhod ang repleksyon sa nawong sa silicon.
Sa ulahing bahin sa dekada 1990, si Propesor Eric Mazur ug ang uban pa sa Harvard University nakakuha og bag-ong materyal—itom nga silicon—atol sa ilang panukiduki sa interaksyon sa mga femtosecond laser sa materya, sama sa gipakita sa Figure 1. Samtang nagtuon sa mga photoelectric nga kabtangan sa itom nga silicon, si Eric Mazur ug ang iyang mga kauban nahingangha sa pagkadiskobre nga kini nga microstructured nga materyal nga silicon adunay talagsaon nga mga kabtangan sa photoelectric. Mosuhop kini hapit tanan nga kahayag sa hapit-ultraviolet ug hapit-infrared nga range (0.25–2.5 μm), nga nagpakita sa maayo kaayo nga makita ug hapit-infrared nga mga kinaiya sa luminescence ug maayo nga mga kabtangan sa field emission. Kini nga nadiskobrehan nakahatag og kahinam sa industriya sa semiconductor, diin ang mga dagkong magasin nagkompetensya sa pagreport niini. Niadtong 1999, ang mga magasin sa Scientific American ug Discover, niadtong 2000 ang seksyon sa siyensya sa Los Angeles Times, ug niadtong 2001 ang magasin sa New Scientist nagpatik og mga artikulo nga naghisgot sa nadiskobrehan sa itom nga silicon ug sa mga potensyal nga aplikasyon niini, nga nagtuo nga kini adunay hinungdanon nga potensyal nga bili sa mga natad sama sa remote sensing, optical communications, ug microelectronics.
Sa pagkakaron, sila si T. Samet gikan sa France, Anoife M. Moloney gikan sa Ireland, Zhao Li gikan sa Fudan University sa China, ug Men Haining gikan sa Chinese Academy of Sciences nagpahigayon og halapad nga panukiduki bahin sa itom nga silicon ug nakab-ot ang pasiunang mga resulta. Ang SiOnyx, usa ka kompanya sa Massachusetts, USA, nakakolekta pa gani og $11 milyon nga venture capital aron magsilbing plataporma sa pagpalambo sa teknolohiya alang sa ubang mga kompanya, ug nagsugod na sa komersyal nga produksiyon sa sensor-based black silicon wafers, nga nangandam sa paggamit sa nahuman nga mga produkto sa sunod nga henerasyon nga infrared imaging system. Si Stephen Saylor, CEO sa SiOnyx, miingon nga ang mubu nga gasto ug taas nga sensitivity nga mga bentaha sa itom nga silicon nga teknolohiya dili kalikayan nga makadani sa atensyon sa mga kompanya nga naka-focus sa panukiduki ug medikal nga imaging market. Sa umaabot, mahimo pa gani kini nga mosulod sa multi-bilyon dolyares nga digital camera ug camcorder market. Ang SiOnyx karon nag-eksperimento usab sa mga photovoltaic properties sa itom nga silicon, ug dako ang posibilidad ngaitom nga silicongamiton sa mga solar cell sa umaabot. 1. Proseso sa Pagporma sa Itom nga Silicon
1.1 Proseso sa Pagpangandam
Ang mga single-crystal silicon wafer gilimpyohan sunod-sunod gamit ang trichloroethylene, acetone, ug methanol, ug dayon gibutang sa usa ka three-dimensionally movable target stage sa usa ka vacuum chamber. Ang base pressure sa vacuum chamber ubos sa 1.3 × 10⁻² Pa. Ang working gas mahimong SF₆, Cl₂, N₂, hangin, H₂S, H₂, SiH₄, ug uban pa, nga adunay working pressure nga 6.7 × 10⁴ Pa. Mahimo usab gamiton ang vacuum environment, o ang elemental powders nga S, Se, o Te mahimong i-coat sa ibabaw sa silicon sa usa ka vacuum. Ang target stage mahimo usab nga ituslob sa tubig. Ang mga femtosecond pulse (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) nga gihimo sa usa ka Ti:sapphire laser regenerative amplifier gi-focus sa usa ka lente ug gi-irradiate nga patindog sa ibabaw sa silicon (ang enerhiya sa output sa laser gikontrol sa usa ka attenuator, nga gilangkoban sa usa ka half-wave plate ug usa ka polarizer). Pinaagi sa paglihok sa target stage aron ma-scan ang ibabaw sa silicon gamit ang laser spot, makuha ang dako nga lugar nga itom nga silicon material. Ang pag-usab sa distansya tali sa lente ug sa silicon wafer maka-adjust sa gidak-on sa light spot nga gi-irradiate sa ibabaw sa silicon, sa ingon mausab ang laser fluence; kung ang gidak-on sa spot kanunay, ang pag-usab sa moving speed sa target stage maka-adjust sa gidaghanon sa mga pulse nga gi-irradiate sa usa ka unit area sa silicon surface. Ang working gas dako og epekto sa porma sa silicon surface microstructure. Kung ang working gas kanunay, ang pag-usab sa laser fluence ug ang gidaghanon sa mga pulse nga nadawat kada unit area makakontrol sa gitas-on, aspect ratio, ug gilay-on sa mga microstructure.
1.2 Mga Kinaiya sa Mikroskopikong Paagi
Human sa femtosecond laser irradiation, ang orihinal nga hamis nga crystalline silicon surface nagpakita og han-ay sa halos regular nga gihan-ay nga gagmay nga conical nga mga istruktura. Ang mga cone top naa sa parehas nga patag sama sa naglibot nga wala ma-irradiated nga silicon surface. Ang porma sa conical nga istruktura may kalabutan sa nagtrabaho nga gas, sama sa gipakita sa Figure 2, diin ang mga conical nga istruktura nga gipakita sa (a), (b), ug (c) naporma sa SF₆, S, ug N₂ nga mga atmospera, matag usa. Bisan pa, ang direksyon sa mga cone top independente sa gas ug kanunay nga nagtudlo sa direksyon sa laser incidence, wala maapektuhan sa grabidad, ug independente usab sa doping type, resistivity, ug crystal orientation sa crystalline silicon; ang mga cone base dili simetriko, diin ang ilang mubo nga axis parallel sa direksyon sa laser polarization. Ang mga conical nga istruktura nga naporma sa hangin mao ang pinakagaspang, ug ang ilang mga nawong gitabonan sa mas pino nga dendritic nanostructures nga 10–100 nm.
Kon mas taas ang laser fluence ug mas daghan ang gidaghanon sa mga pulso, mas taas ug mas lapad ang mga conical structure. Sa SF6 gas, ang gitas-on h ug spacing d sa mga conical structure adunay nonlinear nga relasyon, nga mahimong gibana-bana nga ipahayag isip h∝dp, diin p=2.4±0.1; ang gitas-on h ug spacing d parehong motaas pag-ayo uban sa pagtaas sa laser fluence. Kon ang fluence motaas gikan sa 5 kJ/m² ngadto sa 10 kJ/m², ang spacing d motaas og 3 ka pilo, ug kon iuban sa relasyon tali sa h ug d, ang gitas-on h motaas og 12 ka pilo.
Human sa high-temperature annealing (1200 K, 3 ka oras) sa vacuum, ang conical nga mga istruktura saitom nga siliconwala kaayo mausab, apan ang 10–100 nm dendritic nanostructures sa ibabaw mikunhod pag-ayo. Ang ion channeling spectroscopy nagpakita nga ang disorder sa conical surface mikunhod human sa annealing, apan kadaghanan sa mga disordered structures wala mausab ubos niining mga annealing conditions.
1.3 Mekanismo sa Pagporma
Sa pagkakaron, ang mekanismo sa pagkaporma sa itom nga silicon dili pa klaro. Apan, si Eric Mazur et al. nagbanabana, base sa pagbag-o sa porma sa microstructure sa ibabaw sa silicon uban sa working atmosphere, nga ubos sa pag-stimulate sa high-intensity femtosecond lasers, adunay kemikal nga reaksyon tali sa gas ug sa crystalline silicon surface, nga nagtugot sa silicon surface nga ma-etch sa pipila ka mga gas, nga nagporma og hait nga mga cone. Gipasangil ni Eric Mazur et al. ang pisikal ug kemikal nga mga mekanismo sa pagkaporma sa silicon surface microstructure sa: pagkatunaw ug ablation sa silicon substrate nga gipahinabo sa high-fluence laser pulses; etching sa silicon substrate pinaagi sa reactive ions ug mga particle nga namugna sa kusog nga laser field; ug recrystallization sa ablated nga bahin sa substrate silicon.
Ang mga conical nga istruktura sa ibabaw sa silicon kusang naporma, ug ang usa ka quasi-regular nga array mahimong maporma nga walay maskara. Sila si Shen et al. nagbutang og 2 μm nga gibag-on nga transmission electron microscope copper mesh sa ibabaw sa silicon isip maskara, ug dayon gi-irradiate ang silicon wafer sa SF6 gas gamit ang femtosecond laser. Nakakuha sila og regular kaayo nga gihan-ay nga array sa mga conical nga istruktura sa ibabaw sa silicon, nga nahiuyon sa pattern sa maskara (tan-awa ang Figure 4). Ang gidak-on sa aperture sa maskara dako og epekto sa pagkahan-ay sa mga conical nga istruktura. Ang diffraction sa incident laser sa mga aperture sa maskara hinungdan sa dili parehas nga pag-apod-apod sa enerhiya sa laser sa ibabaw sa silicon, nga miresulta sa usa ka periodic nga pag-apod-apod sa temperatura sa ibabaw sa silicon. Kini sa katapusan nagpugos sa array sa istruktura sa ibabaw sa silicon nga mahimong regular.