Маводи нави инқилобӣ - Силикони сиёҳ
Силикони сиёҳ як навъи нави маводи силикон бо хосиятҳои аълои оптоэлектронӣ мебошад. Дар ин мақола корҳои тадқиқотии Эрик Мазур ва дигар муҳаққиқон дар солҳои охир ҷамъбаст карда шудаанд, ки механизми тайёр кардан ва ташаккули силикони сиёҳ, инчунин хосиятҳои он, аз қабили ҷаббидашавӣ, люминесценция, партоби майдон ва вокуниши спектралиро муфассал шарҳ медиҳанд. Он инчунин ба татбиқи муҳими эҳтимолии силикони сиёҳ дар детекторҳои инфрасурх, батареяҳои офтобӣ ва дисплейҳои ҳамвор ишора мекунад.
Кремнийи кристаллӣ дар саноати нимноқилҳо ба таври васеъ истифода мешавад, зеро он бартариҳои он ба монанди осонии тозакунӣ, осонии допинг ва муқовимат ба ҳарорати баланд дорад. Бо вуҷуди ин, он инчунин камбудиҳои зиёде дорад, ба монанди инъикоси баланди нури намоён ва инфрасурх дар сатҳи худ. Ғайр аз ин, аз сабаби фосилаи калони банд,кремнийи кристаллӣнаметавонад рӯшноиро бо дарозии мавҷҳои аз 1100 нм зиёдтар фурӯ барад. Вақте ки дарозии мавҷи рӯшноии афтанда аз 1100 нм зиёдтар аст, суръати ҷаббида ва вокуниши детекторҳои кремний хеле коҳиш меёбад. Барои муайян кардани ин дарозии мавҷҳо, бояд аз дигар маводҳо, ба монанди германий ва арсениди галлий индий истифода шавад. Аммо, арзиши баланд, хосиятҳои пасти термодинамикӣ ва сифати кристалл ва номувофиқатӣ бо равандҳои мавҷудаи пухтаи кремний истифодаи онҳоро дар дастгоҳҳои кремний маҳдуд мекунад. Аз ин рӯ, кам кардани инъикоси сатҳҳои кремнийи кристаллӣ ва васеъ кардани диапазони дарозии мавҷи ошкоркунии фотодетекторҳои кремний ва мувофиқ бо кремний мавзӯи таҳқиқоти гарм боқӣ мемонад.
Барои кам кардани инъикоси сатҳҳои кремнийи кристаллӣ, бисёр усулҳо ва техникаҳои таҷрибавӣ, аз қабили фотолитография, кандакории ионҳои реактивӣ ва кандакории электрохимиявӣ истифода шудаанд. Ин усулҳо метавонанд то андозае морфологияи сатҳӣ ва наздик ба сатҳро тағйир диҳанд ва бо ин васила кам кунанд.силикон инъикоси сатҳӣ. Дар диапазони нури намоён, кам кардани инъикос метавонад ҷаббидашавиро афзоиш диҳад ва самаранокии дастгоҳро беҳтар созад. Аммо, дар дарозии мавҷҳои аз 1100 нм зиёдтар, агар сатҳи энергияи ҷаббида ба фосилаи банди кремний ворид карда нашавад, инъикоси камшуда танҳо ба афзоиши интиқол оварда мерасонад, зеро фосилаи банди кремний дар ниҳоят ҷаббидашавии онро аз нури дарозмавҷ маҳдуд мекунад. Аз ин рӯ, барои васеъ кардани диапазони ҳассоси дарозии мавҷҳои дастгоҳҳои дар асоси кремний ва мувофиқ бо кремний, зарур аст, ки ҷаббидашавии фотонҳоро дар дохили фосилаи банди кам карда, ҳамзамон инъикоси сатҳи кремнийро кам кунем.
Дар охири солҳои 1990-ум, профессор Эрик Мазур ва дигарон дар Донишгоҳи Ҳарвард ҳангоми таҳқиқоти худ дар бораи таъсири мутақобилаи лазерҳои фемтосекундӣ бо модда, ки дар расми 1 нишон дода шудааст, маводи нав - кремнийи сиёҳ - ба даст оварданд. Ҳангоми омӯзиши хосиятҳои фотоэлектрикии кремнийи сиёҳ, Эрик Мазур ва ҳамкоронаш ҳайрон шуданд, ки ин маводи кремнийи микросохторӣ дорои хосиятҳои беназири фотоэлектрикӣ мебошад. Он қариб тамоми рӯшноиро дар диапазони наздики ултрабунафш ва наздики инфрасурх (0,25-2,5 мкм) фурӯ мебарад ва хусусиятҳои аълои люминесценсияи намоён ва наздики инфрасурх ва хосиятҳои хуби партоби майдонро нишон медиҳад. Ин кашфиёт дар саноати нимноқилҳо сенсатсияро ба вуҷуд овард, ки маҷаллаҳои бузург барои гузориш додан дар бораи он рақобат мекарданд. Дар соли 1999 маҷаллаҳои Scientific American ва Discover, дар соли 2000 бахши илмии Los Angeles Times ва дар соли 2001 маҷаллаи New Scientist ҳама мақолаҳои махсусеро нашр карданд, ки дар бораи кашфи кремнийи сиёҳ ва татбиқи эҳтимолии он баҳс мекарданд ва боварӣ доштанд, ки он дар соҳаҳо ба монанди зондкунии дурдаст, алоқаи оптикӣ ва микроэлектроника арзиши назарраси потенсиалӣ дорад.
Айни замон, Т. Самет аз Фаронса, Аноифе М. Молони аз Ирландия, Жао Ли аз Донишгоҳи Фудан дар Чин ва Мен Хайнинг аз Академияи илмҳои Чин ҳама таҳқиқоти васеъро дар бораи кремнийи сиёҳ анҷом дода, ба натиҷаҳои аввалия ноил шудаанд. Ширкати SiOnyx дар Массачусетс, ИМА, ҳатто 11 миллион доллар сармояи венчурӣ ҷалб кардааст, то ҳамчун платформаи рушди технология барои дигар ширкатҳо хизмат кунад ва истеҳсоли тиҷоратии лавҳаҳои кремнийи сиёҳи сенсориро оғоз кардааст ва барои истифодаи маҳсулоти тайёр дар системаҳои тасвири инфрасурхи насли оянда омодагӣ мебинад. Стивен Сейлор, директори генералии SiOnyx, изҳор дошт, ки бартариҳои арзон ва ҳассосияти баланди технологияи кремнийи сиёҳ ногузир таваҷҷӯҳи ширкатҳоеро, ки ба бозорҳои тадқиқотӣ ва тасвири тиббӣ тамаркуз мекунанд, ҷалб хоҳад кард. Дар оянда, он ҳатто метавонад ба бозори камераҳои рақамӣ ва видеокамераҳои бисёрмиллиарддолларӣ ворид шавад. SiOnyx инчунин айни замон бо хосиятҳои фотоэлектрикии кремнийи сиёҳ озмоиш мекунад ва эҳтимоли зиёд вуҷуд дорад, ки...силикони сиёҳдар оянда дар батареяҳои офтобӣ истифода хоҳанд шуд. 1. Раванди ташаккули кремнийи сиёҳ
1.1 Раванди омодасозӣ
Вафли кремнийи монокристаллӣ пайдарпай бо трихлорэтилен, ацетон ва метанол тоза карда мешаванд ва сипас дар камераи вакуумӣ дар марҳилаи мақсадноки сеченака ҳаракаткунанда ҷойгир карда мешаванд. Фишори асосии камераи вакуумӣ камтар аз 1,3 × 10⁻² Па аст. Гази корӣ метавонад SF₆, Cl₂, N₂, ҳаво, H₂S, H₂, SiH₄ ва ғайра бошад, ки фишори кории он 6,7 × 10⁴ Па аст. Интихобан, муҳити вакуумӣ метавонад истифода шавад ё хокаҳои элементии S, Se ё Te-ро дар вакуум ба сатҳи кремний пӯшонидан мумкин аст. Марҳилаи мақсаднокро инчунин метавон дар об ғӯтонд. Импулсҳои фемтосония (800 нм, 100 фс, 500 мкҶ, 1 кГц), ки аз ҷониби пурқувваткунандаи регенеративии лазери Ti:сапфир тавлид мешаванд, тавассути линза фокус карда мешаванд ва ба таври амудӣ ба сатҳи кремний нурпошӣ карда мешаванд (энергияи баромади лазер аз ҷониби камкунанда, ки аз пластинаи ниммавҷӣ ва поляризатор иборат аст, идора карда мешавад). Бо ҳаракат додани марҳилаи мақсаднок барои скан кардани сатҳи кремний бо нуқтаи лазерӣ, маводи сиёҳи масоҳати калони кремнийро ба даст овардан мумкин аст. Тағйир додани масофа байни линза ва лавҳаи кремний метавонад андозаи нуқтаи рӯшноии нурпошидашуда дар сатҳи кремнийро танзим кунад ва бо ин васила флюенси лазерро тағйир диҳад; вақте ки андозаи нуқта доимӣ аст, тағир додани суръати ҳаракати марҳилаи мақсаднок метавонад шумораи импулсҳоеро, ки дар як масоҳати воҳиди сатҳи кремний нурпошӣ карда мешаванд, танзим кунад. Гази корӣ ба шакли микросохтори сатҳи кремний таъсири назаррас мерасонад. Вақте ки гази корӣ доимӣ аст, тағир додани флюенси лазер ва шумораи импулсҳои қабулшуда барои як воҳиди масоҳат метавонад баландӣ, таносуби паҳлӯӣ ва фосилаи микросохторҳоро назорат кунад.
1.2 Хусусиятҳои микроскопӣ
Пас аз нурпошии лазерии фемтосония, сатҳи аслии ҳамвори кристаллии кремний як қатор сохторҳои хурди конусии квази-мунтазам ҷойгиршударо нишон медиҳад. Қуллаҳои конусӣ дар ҳамон сатҳе бо сатҳи атрофи кремнийи нурношунида ҷойгир шудаанд. Шакли сохтори конусӣ бо гази корӣ алоқаманд аст, чунон ки дар расми 2 нишон дода шудааст, ки дар он сохторҳои конусии дар (a), (b) ва (c) нишондодашуда мутаносибан дар атмосфераҳои SF₆, S ва N₂ ташаккул меёбанд. Аммо, самти қуллаҳои конусӣ аз газ мустақил аст ва ҳамеша ба самти афтиши лазер нигаронида шудааст, ки аз қувваи ҷозиба таъсир намегирад ва инчунин аз намуди допинг, муқовимат ва самти кристаллии кремнийи кристаллӣ мустақил аст; асосҳои конусӣ асимметрӣ буда, меҳвари кӯтоҳи онҳо ба самти поляризатсияи лазер мувозӣ аст. Сохторҳои конусӣ, ки дар ҳаво ташаккул ёфтаанд, ноҳамвортарин мебошанд ва сатҳҳои онҳо бо наносохторҳои дендритии ҳатто нозуки 10-100 нм пӯшонида шудаанд.
Ҳар қадар флюенси лазерӣ баландтар ва шумораи импулсҳо зиёд бошад, сохторҳои конусӣ ҳамон қадар баландтар ва васеътар мешаванд. Дар гази SF6, баландии h ва фосилаи d сохторҳои конусӣ муносибати ғайрихаттӣ доранд, ки онро тақрибан ҳамчун h∝dp ифода кардан мумкин аст, ки дар он p=2.4±0.1 аст; ҳам баландии h ва ҳам фосилаи d бо афзоиши флюенси лазерӣ ба таври назаррас меафзояд. Вақте ки флюенс аз 5 кҶ/м² то 10 кҶ/м² зиёд мешавад, фосилаи d 3 маротиба зиёд мешавад ва бо муносибати байни h ва d якҷоя карда шавад, баландии h 12 маротиба зиёд мешавад.
Пас аз гармкунии ҳарорати баланд (1200 К, 3 соат) дар вакуум, сохторҳои конусшаклисиликони сиёҳтағйири назаррасе надошт, аммо наносохторҳои дендритии 10-100 нм дар сатҳ хеле кам шуданд. Спектроскопияи канали ион нишон дод, ки бетартибӣ дар сатҳи конусӣ пас аз гармкунӣ коҳиш ёфт, аммо аксари сохторҳои бетартиб дар ин шароити гармкунӣ тағйир наёфтанд.
1.3 Механизми ташаккулёбӣ
Дар айни замон, механизми ташаккули кремнийи сиёҳ равшан нест. Аммо, Эрик Мазур ва ҳамкоронаш, бо такя ба тағйирёбии шакли микросохтори сатҳи кремний бо атмосфераи корӣ, тахмин заданд, ки дар зери ангезиши лазерҳои фемтосекундии баландшиддат, байни газ ва сатҳи кремнийи кристаллӣ реаксияи кимиёвӣ ба амал меояд, ки имкон медиҳад, ки сатҳи кремний аз ҷониби газҳои муайян кандакорӣ карда шавад ва конусҳои тез ба вуҷуд оянд. Эрик Мазур ва ҳамкоронаш механизмҳои физикӣ ва кимиёвии ташаккули микросохтори сатҳи кремнийро ба инҳо нисбат доданд: обшавӣ ва аблятсияи субстрати кремний, ки аз ҷониби импулсҳои лазерии баландфлюенсӣ ба вуҷуд омадааст; кандакории субстрати кремний аз ҷониби ионҳо ва зарраҳои реактивӣ, ки аз ҷониби майдони қавии лазерӣ ба вуҷуд омадаанд; ва аз нав кристаллизатсия кардани қисми аблятсияи субстрати кремний.
Сохторҳои конусӣ дар сатҳи кремний худ аз худ ташаккул меёбанд ва массиви квазимуқаррарӣ бе ниқоб ташкил карда мешавад. М.И.Шен ва ҳамкоронаш як шабакаи мисии микроскопи электронии интиқолдиҳандаи ғафсии 2 мкм-ро ба сатҳи кремний ҳамчун ниқоб пайваст карданд ва сипас вафли кремнийро дар гази SF6 бо лазери фемтосекундӣ нур доданд. Онҳо дар сатҳи кремний як массиви хеле мунтазам тартибдодашудаи сохторҳои конусӣ ба даст оварданд, ки бо намунаи ниқоб мувофиқ аст (нигаред ба расми 4). Андозаи диафрагмаи ниқоб ба ҷойгиршавии сохторҳои конусӣ таъсири назаррас мерасонад. Дифракцияи лазери афтанда аз ҷониби сӯрохиҳои ниқоб боиси тақсимоти ғайримуқаррарии энергияи лазер дар сатҳи кремний мегардад, ки дар натиҷа тақсимоти даврии ҳарорат дар сатҳи кремний ба вуҷуд меояд. Ин дар ниҳоят массиви сохтори сатҳи кремнийро маҷбур мекунад, ки мунтазам шавад.