Një material i ri revolucionar – silikon i zi
Siliconi i zi është një lloj i ri materiali silici me veti të shkëlqyera optoelektronike. Ky artikull përmbledh punën kërkimore mbi silicin e zi nga Eric Mazur dhe studiues të tjerë në vitet e fundit, duke detajuar mekanizmin e përgatitjes dhe formimit të silicit të zi, si dhe vetitë e tij si thithja, lumineshenca, emetimi i fushës dhe përgjigja spektrale. Ai gjithashtu thekson aplikimet e rëndësishme potenciale të silicit të zi në detektorë infra të kuqe, qeliza diellore dhe ekrane me panel të sheshtë.
Silici kristalor përdoret gjerësisht në industrinë e gjysmëpërçuesve për shkak të avantazheve të tij, siç janë lehtësia e pastrimit, lehtësia e dopingut dhe rezistenca ndaj temperaturave të larta. Megjithatë, ai ka edhe shumë disavantazhe, siç është reflektimi i lartë i dritës së dukshme dhe infra të kuqe në sipërfaqen e tij. Për më tepër, për shkak të boshllëkut të madh të brezit të tij,silic kristalornuk mund të thithë dritën me gjatësi vale më të mëdha se 1100 nm. Kur gjatësia e valës së dritës incidente është më e madhe se 1100 nm, shkalla e thithjes dhe reagimit të detektorëve të silikonit zvogëlohet shumë. Materiale të tjera si germaniumi dhe indiumi dhe arsenuri i galiumit duhet të përdoren për të zbuluar këto gjatësi vale. Megjithatë, kostoja e lartë, vetitë termodinamike dhe cilësia e dobët e kristalit, si dhe papajtueshmëria me proceset ekzistuese të pjekura të silikonit kufizojnë zbatimin e tyre në pajisjet me bazë silikoni. Prandaj, zvogëlimi i reflektimit të sipërfaqeve kristalore të silikonit dhe zgjerimi i diapazonit të gjatësisë së valës së zbulimit të fotodetektorëve me bazë silikoni dhe atyre të pajtueshëm me silikonin mbetet një temë e nxehtë kërkimore.
Për të zvogëluar reflektimin e sipërfaqeve të silikonit kristalor, janë përdorur shumë metoda dhe teknika eksperimentale, të tilla si fotolitografia, gdhendja me jone reaktive dhe gdhendja elektrokimike. Këto teknika, deri në një farë mase, mund të ndryshojnë morfologjinë sipërfaqësore dhe afër sipërfaqes së silikonit kristalor, duke zvogëluar kështusilikon reflektimi sipërfaqësor. Në diapazonin e dritës së dukshme, zvogëlimi i reflektimit mund të rrisë thithjen dhe të përmirësojë efikasitetin e pajisjes. Megjithatë, në gjatësi vale që tejkalojnë 1100 nm, nëse nuk futen nivele energjie thithjeje në boshllëkun e brezit të silikonit, reflektimi i zvogëluar çon vetëm në rritjen e transmetimit, sepse boshllëku i brezit të silikonit në fund të fundit kufizon thithjen e dritës me gjatësi vale të gjatë. Prandaj, për të zgjeruar diapazonin e ndjeshëm të gjatësisë së valës së pajisjeve me bazë silikoni dhe të pajtueshme me silikonin, është e nevojshme të rritet thithja e fotoneve brenda boshllëkut të brezit, duke zvogëluar njëkohësisht reflektimin sipërfaqësor të silikonit.
Në fund të viteve 1990, Profesori Eric Mazur dhe të tjerë në Universitetin e Harvardit morën një material të ri - silic të zi - gjatë hulumtimit të tyre mbi bashkëveprimin e lazerëve femtosekondë me materien, siç tregohet në Figurën 1. Ndërsa studionin vetitë fotoelektrike të silicit të zi, Eric Mazur dhe kolegët e tij u habitën kur zbuluan se ky material silici i mikrostrukturuar zotëron veti unike fotoelektrike. Ai thith pothuajse të gjithë dritën në diapazonin afër ultravjollcë dhe afër infra të kuqe (0.25–2.5 μm), duke shfaqur karakteristika të shkëlqyera të lumineshencës së dukshme dhe afër infra të kuqe dhe veti të mira të emetimit në fushë. Ky zbulim shkaktoi një sensacion në industrinë e gjysmëpërçuesve, me revistat kryesore që konkurronin për të raportuar mbi të. Në vitin 1999, revistat Scientific American dhe Discover, në vitin 2000 seksioni shkencor i Los Angeles Times dhe në vitin 2001 revista New Scientist publikuan të gjitha artikuj kryesorë që diskutonin zbulimin e silicit të zi dhe zbatimet e tij të mundshme, duke besuar se ai ka vlerë të konsiderueshme potenciale në fusha të tilla si teledeteksioni, komunikimet optike dhe mikroelektronika.
Aktualisht, T. Samet nga Franca, Anoife M. Moloney nga Irlanda, Zhao Li nga Universiteti Fudan në Kinë dhe Men Haining nga Akademia Kineze e Shkencave kanë kryer të gjithë kërkime të gjera mbi silikonin e zi dhe kanë arritur rezultate paraprake. SiOnyx, një kompani në Massachusetts, SHBA, madje ka mbledhur 11 milionë dollarë kapital sipërmarrës për të shërbyer si një platformë zhvillimi teknologjik për kompani të tjera dhe ka filluar prodhimin komercial të pllakave të silikonit të zi me bazë sensorësh, duke u përgatitur për të përdorur produktet e përfunduara në sistemet e imazhit infra të kuqe të gjeneratës së ardhshme. Stephen Saylor, CEO i SiOnyx, deklaroi se kostoja e ulët dhe avantazhet e ndjeshmërisë së lartë të teknologjisë së silikonit të zi do të tërheqin në mënyrë të pashmangshme vëmendjen e kompanive të përqendruara në tregjet e kërkimit dhe imazhit mjekësor. Në të ardhmen, ajo madje mund të hyjë në tregun e kamerave dixhitale dhe kamerave video multimiliardë dollarëshe. SiOnyx gjithashtu po eksperimenton aktualisht me vetitë fotovoltaike të silikonit të zi dhe ka shumë të ngjarë qësilikon i zido të përdoret në qelizat diellore në të ardhmen. 1. Procesi i Formimit të Silicit të Zi
1.1 Procesi i përgatitjes
Napolitanet e silikonit me një kristal të vetëm pastrohen në mënyrë sekuenciale me trikloroetilen, aceton dhe metanol, dhe më pas vendosen në një fazë shënjestre të lëvizshme tre-dimensionale në një dhomë vakumi. Presioni bazë i dhomës së vakumit është më pak se 1.3 × 10⁻² Pa. Gazi i punës mund të jetë SF₆, Cl₂, N₂, ajër, H₂S, H₂, SiH₄, etj., me një presion pune prej 6.7 × 10⁴ Pa. Si alternativë, mund të përdoret një mjedis vakumi, ose pluhurat elementare të S, Se ose Te mund të veshen mbi sipërfaqen e silikonit në vakum. Faza e synuar mund të zhytet edhe në ujë. Pulset femtosekondëshe (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) të gjeneruara nga një amplifikator rigjenerues me lazer Ti:safir fokusohen nga një lente dhe rrezatohen pingul mbi sipërfaqen e silikonit (energjia dalëse e lazerit kontrollohet nga një zbutës, i cili përbëhet nga një pllakë gjysmëvalëshe dhe një polarizues). Duke lëvizur fazën e synuar për të skanuar sipërfaqen e silikonit me pikën e lazerit, mund të merret material silikoni i zi me sipërfaqe të madhe. Ndryshimi i distancës midis lentes dhe pllakës së silikonit mund të rregullojë madhësinë e pikës së dritës të rrezatuar në sipërfaqen e silikonit, duke ndryshuar kështu fluencën e lazerit; kur madhësia e pikës është konstante, ndryshimi i shpejtësisë së lëvizjes së fazës së synuar mund të rregullojë numrin e pulseve të rrezatuara në një njësi sipërfaqeje të silikonit. Gazi punues ndikon ndjeshëm në formën e mikrostrukturës së sipërfaqes së silikonit. Kur gazi punues është konstant, ndryshimi i fluencës së lazerit dhe numri i pulseve të marra për njësi sipërfaqeje mund të kontrollojë lartësinë, raportin e aspektit dhe hapësirën e mikrostrukturave.
1.2 Karakteristikat mikroskopike
Pas rrezatimit me lazer femtosekondë, sipërfaqja fillimisht e lëmuar e silikonit kristalor shfaq një sërë strukturash të vogla konike të rregulluara kuazi-rregullisht. Majat e koneve janë në të njëjtin plan me sipërfaqen përreth të silikonit të parrezatuar. Forma e strukturës konike lidhet me gazin e punës, siç tregohet në Figurën 2, ku strukturat konike të treguara në (a), (b) dhe (c) formohen përkatësisht në atmosferat SF₆, S dhe N₂. Megjithatë, drejtimi i majave të koneve është i pavarur nga gazi dhe gjithmonë tregon në drejtimin e incidencës së lazerit, i paprekur nga graviteti, dhe gjithashtu i pavarur nga lloji i dopingut, rezistenca dhe orientimi kristalor i silikonit kristalor; bazat e koneve janë asimetrike, me boshtin e tyre të shkurtër paralel me drejtimin e polarizimit të lazerit. Strukturat konike të formuara në ajër janë më të ashpra, dhe sipërfaqet e tyre janë të mbuluara me nanostruktura dendritike edhe më të imëta prej 10-100 nm.
Sa më i lartë të jetë fluenca e lazerit dhe sa më i madh numri i pulseve, aq më të larta dhe më të gjera bëhen strukturat konike. Në gazin SF6, lartësia h dhe hapësira d e strukturave konike kanë një marrëdhënie jolineare, e cila mund të shprehet përafërsisht si h∝dp, ku p=2.4±0.1; si lartësia h ashtu edhe hapësira d rriten ndjeshëm me rritjen e fluencës së lazerit. Kur fluenca rritet nga 5 kJ/m² në 10 kJ/m², hapësira d rritet me 3 herë, dhe e kombinuar me marrëdhënien midis h dhe d, lartësia h rritet me 12 herë.
Pas pjekjes në temperaturë të lartë (1200 K, 3 orë) në vakum, strukturat konike tësilikon i zinuk ndryshoi ndjeshëm, por nanostrukturat dendritike 10-100 nm në sipërfaqe u zvogëluan shumë. Spektroskopia e kanalizimit jonik tregoi se çrregullimi në sipërfaqen konike u ul pas pjekjes, por shumica e strukturave të çrregullta nuk ndryshuan në këto kushte pjekjeje.
1.3 Mekanizmi i Formimit
Aktualisht, mekanizmi i formimit të silicit të zi nuk është i qartë. Megjithatë, Eric Mazur et al. spekuluan, bazuar në ndryshimin në formën e mikrostrukturës sipërfaqësore të silicit me atmosferën e punës, se nën stimulimin e lazerëve femtosekondë me intensitet të lartë, ndodh një reaksion kimik midis gazit dhe sipërfaqes kristalore të silicit, duke lejuar që sipërfaqja e silicit të gdhendet nga gazra të caktuar, duke formuar kone të mprehta. Eric Mazur et al. ia atribuan mekanizmat fizikë dhe kimikë të formimit të mikrostrukturës sipërfaqësore të silicit: shkrirjes dhe ablacionit të substratit të silicit të shkaktuar nga pulset lazer me fluks të lartë; gdhendjes së substratit të silicit nga jonet reaktive dhe grimcat e gjeneruara nga fusha e fortë e lazerit; dhe rikristalizimit të pjesës së abluar të substratit të silicit.
Strukturat konike në sipërfaqen e silikonit formohen spontanisht, dhe një varg kuazi-i rregullt mund të formohet pa maskë. MY Shen et al. bashkangjitën një rrjetë bakri të mikroskopit elektronik transmetues me trashësi 2 μm në sipërfaqen e silikonit si një maskë, dhe më pas rrezatuan pllakëzën e silikonit në gaz SF6 me një lazer femtosekondë. Ata morën një varg strukturash konike të rregulluara shumë rregullisht në sipërfaqen e silikonit, në përputhje me modelin e maskës (shih Figurën 4). Madhësia e hapjes së maskës ndikon ndjeshëm në rregullimin e strukturave konike. Difraksioni i lazerit incident nga hapjet e maskës shkakton një shpërndarje jo-uniforme të energjisë së lazerit në sipërfaqen e silikonit, duke rezultuar në një shpërndarje periodike të temperaturës në sipërfaqen e silikonit. Kjo në fund të fundit e detyron vargun e strukturës sipërfaqësore të silikonit të bëhet i rregullt.