Bahan Anyar anu Révolusionér – Silikon Hideung
Silikon hideung mangrupikeun jinis bahan silikon énggal anu gaduh sipat optoelektronik anu saé pisan. Artikel ieu ngaruntuykeun panilitian ngeunaan silikon hideung ku Eric Mazur sareng panaliti sanés dina sababaraha taun ka pengker, anu ngajelaskeun sacara rinci mékanisme persiapan sareng pembentukan silikon hideung, ogé sipat-sipatna sapertos panyerepan, luminesensi, émisi médan, sareng réspon spéktral. Éta ogé nunjukkeun aplikasi poténsial penting silikon hideung dina detektor infra red, sél surya, sareng tampilan panel datar.
Silikon kristalin loba dipaké dina industri semikonduktor alatan kaunggulanana saperti gampang dimurnikeun, gampang didoping, jeung tahan suhu luhur. Sanajan kitu, éta ogé miboga loba kakurangan, saperti réfléksibilitas cahaya anu katingali jeung infrabeureum anu luhur dina beungeutna. Salajengna, alatan celah pita anu badag,silikon kristalinteu tiasa nyerep cahaya kalayan panjang gelombang anu langkung ageung tibatan 1100 nm. Nalika panjang gelombang cahaya anu datang langkung ageung tibatan 1100 nm, laju panyerepan sareng réspon detektor silikon turun pisan. Bahan sanés sapertos germanium sareng indium gallium arsenide kedah dianggo pikeun ngadeteksi panjang gelombang ieu. Nanging, biaya anu luhur, sipat termodinamika sareng kualitas kristal anu goréng, sareng teu cocog sareng prosés silikon dewasa anu tos aya ngawatesan aplikasi na dina alat berbasis silikon. Ku alatan éta, ngirangan pantulan permukaan silikon kristalin sareng manjangkeun rentang panjang gelombang deteksi fotodetektor berbasis silikon sareng anu cocog sareng silikon tetep janten topik panalungtikan anu panas.
Pikeun ngurangan pantulan beungeut silikon kristalin, seueur metode sareng téknik ékspériméntal anu parantos dianggo, sapertos fotolitografi, étsa ion réaktif, sareng étsa éléktrokimia. Téhnik ieu, dugi ka tingkat anu tangtu, tiasa ngarobih morfologi beungeut sareng caket beungeut silikon kristalin, sahingga ngirangan.silikon pantulan permukaan. Dina rentang cahaya anu katingali, ngirangan pantulan tiasa ningkatkeun panyerepan sareng ningkatkeun efisiensi alat. Nanging, dina panjang gelombang anu ngaleuwihan 1100 nm, upami teu aya tingkat énergi panyerepan anu diwanohkeun kana celah pita silikon, pantulan anu dikirangan ngan ukur nyababkeun paningkatan transmisi, sabab celah pita silikon pamustunganana ngawatesan panyerepan cahaya panjang gelombang panjangna. Ku alatan éta, pikeun manjangkeun rentang panjang gelombang sénsitip alat anu berbasis silikon sareng anu cocog sareng silikon, perlu ningkatkeun panyerepan foton dina celah pita bari sakaligus ngirangan pantulan permukaan silikon.
Dina ahir taun 1990-an, Profesor Eric Mazur sareng anu sanésna di Universitas Harvard kéngingkeun bahan énggal — silikon hideung — nalika panilitian ngeunaan interaksi laser femtosecond sareng materi, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 1. Nalika nalungtik sipat fotoéléktrik silikon hideung, Eric Mazur sareng kolegana kaget mendakan yén bahan silikon mikrostruktur ieu ngagaduhan sipat fotoéléktrik anu unik. Éta nyerep ampir sadaya cahaya dina rentang ampir-ultraviolet sareng ampir-infrared (0,25–2,5 μm), nunjukkeun karakteristik luminesensi anu katingali sareng caket-infrared anu saé sareng sipat émisi médan anu saé. Kapanggihna ieu nyababkeun sensasi dina industri semikonduktor, kalayan majalah-majalah utama berlomba-lomba pikeun ngalaporkeun éta. Dina taun 1999, majalah Scientific American sareng Discover, dina taun 2000 bagian sains Los Angeles Times, sareng dina taun 2001 majalah New Scientist sadayana nerbitkeun artikel fitur anu ngabahas kapanggihna silikon hideung sareng aplikasi poténsialna, percanten yén éta ngagaduhan nilai poténsial anu signifikan dina widang sapertos penginderaan jauh, komunikasi optik, sareng mikroéléktronika.
Ayeuna, T. Samet ti Perancis, Anoife M. Moloney ti Irlandia, Zhao Li ti Universitas Fudan di Cina, sareng Men Haining ti Akademi Élmu Pengetahuan Cina parantos ngalaksanakeun panalungtikan anu éksténsif ngeunaan silikon hideung sareng ngahontal hasil awal. SiOnyx, perusahaan di Massachusetts, AS, bahkan parantos ngumpulkeun $11 juta dina modal ventura pikeun janten platform pamekaran téknologi pikeun perusahaan sanés, sareng parantos ngamimitian produksi komérsial wafer silikon hideung berbasis sénsor, nyiapkeun pikeun nganggo produk réngsé dina sistem pencitraan infra red generasi salajengna. Stephen Saylor, CEO SiOnyx, nyatakeun yén kaunggulan biaya anu murah sareng sensitivitas anu luhur tina téknologi silikon hideung pasti bakal narik perhatian perusahaan anu fokus kana pasar panalungtikan sareng pencitraan médis. Ka hareupna, éta malah tiasa lebet kana pasar kaméra digital sareng camcorder multi-miliar dolar. SiOnyx ogé ayeuna nuju ékspérimén sareng sipat fotovoltaik silikon hideung, sareng kamungkinan ageung étasilikon hideungbakal dianggo dina sél surya di mangsa nu bakal datang. 1. Prosés Pembentukan Silikon Hideung
1.1 Prosés Persiapan
Wafer silikon kristal tunggal dibersihkeun sacara berurutan nganggo trikloroetilén, aseton, sareng metanol, teras disimpen dina tahap target anu tiasa dipindahkeun sacara tilu diménsi dina ruang vakum. Tekanan dasar ruang vakum kirang ti 1,3 × 10⁻² Pa. Gas anu dianggo tiasa SF₆, Cl₂, N₂, hawa, H₂S, H₂, SiH₄, jsb., kalayan tekanan kerja 6,7 × 10⁴ Pa. Alternatipna, lingkungan vakum tiasa dianggo, atanapi bubuk unsur S, Se, atanapi Te tiasa dilapis kana permukaan silikon dina ruang vakum. Tahap target ogé tiasa dicelupkeun kana cai. Pulsa femtodetik (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) anu dihasilkeun ku amplifier regeneratif laser Ti:safir difokuskeun ku lénsa sareng diiradiasi sacara tegak lurus kana permukaan silikon (énergi kaluaran laser dikontrol ku atenuator, anu diwangun ku pelat satengah gelombang sareng polarisator). Ku cara mindahkeun tahapan target pikeun nyeken permukaan silikon nganggo titik laser, bahan silikon hideung daérah anu lega tiasa diala. Ngaganti jarak antara lénsa sareng wafer silikon tiasa nyaluyukeun ukuran titik cahaya anu diiradiasi dina permukaan silikon, sahingga ngarobih fluks laser; nalika ukuran titik konstan, ngarobih kecepatan gerak tahapan target tiasa nyaluyukeun jumlah pulsa anu diiradiasi dina hijian daérah permukaan silikon. Gas kerja sacara signifikan mangaruhan bentuk mikrostruktur permukaan silikon. Nalika gas kerja konstan, ngarobih fluks laser sareng jumlah pulsa anu ditampi per hijian daérah tiasa ngontrol jangkungna, rasio aspék, sareng jarak mikrostruktur.
1.2 Ciri-ciri Mikroskopis
Saatos iradiasi laser femtodetik, permukaan silikon kristalin anu mimitina lemes nunjukkeun susunan struktur kerucut leutik anu disusun sacara teratur. Puncak kerucut aya dina bidang anu sami sareng permukaan silikon anu teu diiradiasi di sakurilingna. Bentuk struktur kerucut aya hubunganana sareng gas anu dianggo, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 2, dimana struktur kerucut anu dipidangkeun dina (a), (b), sareng (c) kabentuk dina atmosfir SF₆, S, sareng N₂. Nanging, arah puncak kerucut henteu gumantung kana gas sareng salawasna nunjuk kana arah datangna laser, henteu kapangaruhan ku gravitasi, sareng ogé henteu gumantung kana jinis doping, résistansivitas, sareng orientasi kristal silikon kristalin; dasar kerucut asimetris, kalayan sumbu pondokna sajajar sareng arah polarisasi laser. Struktur kerucut anu kabentuk dina hawa mangrupikeun anu paling kasar, sareng permukaanana ditutupan ku nanostruktur dendritik anu langkung halus 10–100 nm.
Beuki luhur fluks laser sareng beuki ageung jumlah pulsa, beuki jangkung sareng lega struktur kerucutna. Dina gas SF6, jangkungna h sareng jarak d tina struktur kerucut gaduh hubungan nonlinier, anu sacara kasar tiasa dikedalkeun salaku h∝dp, dimana p = 2,4 ± 0,1; duanana jangkungna h sareng jarak d ningkat sacara signifikan kalayan ningkatna fluks laser. Nalika fluks ningkat tina 5 kJ / m² dugi ka 10 kJ / m², jarak d ningkat 3 kali, sareng digabungkeun sareng hubungan antara h sareng d, jangkungna h ningkat 12 kali.
Saatos annealing suhu luhur (1200 K, 3 jam) dina vakum, struktur kerucut tinasilikon hideungteu robah sacara signifikan, tapi nanostruktur dendritik 10–100 nm dina beungeut cai ngurangan pisan. Spektroskopi panyaluran ion nunjukkeun yén gangguan dina beungeut kerucut nurun saatos annealing, tapi kaseueuran struktur anu teu teratur teu robah dina kaayaan annealing ieu.
1.3 Mékanisme Pembentukan
Ayeuna, mékanisme formasi silikon hideung teu acan jelas. Nanging, Eric Mazur et al. ngaduga, dumasar kana parobahan bentuk mikrostruktur permukaan silikon sareng atmosfir kerja, yén dina stimulasi laser femtosecond intensitas tinggi, aya réaksi kimia antara gas sareng permukaan silikon kristalin, anu ngamungkinkeun permukaan silikon diukir ku gas-gas tertentu, ngabentuk kerucut anu seukeut. Eric Mazur et al. ngaitkeun mékanisme fisik sareng kimia formasi mikrostruktur permukaan silikon ka: lebur sareng ablasi substrat silikon anu disababkeun ku pulsa laser fluénsi tinggi; ukir substrat silikon ku ion réaktif sareng partikel anu dihasilkeun ku médan laser anu kuat; sareng rekristalisasi bagian silikon substrat anu di-ablasi.
Struktur kerucut dina permukaan silikon kabentuk sacara spontan, sareng susunan kuasi-regular tiasa kabentuk tanpa topéng. MY Shen et al. masangkeun bolong tambaga mikroskop éléktron transmisi kandel 2 μm kana permukaan silikon salaku topéng, teras nyinari wafer silikon dina gas SF6 nganggo laser femtosecond. Aranjeunna kéngingkeun susunan struktur kerucut anu disusun sacara teratur dina permukaan silikon, saluyu sareng pola topéng (tingali Gambar 4). Ukuran aperture topéng sacara signifikan mangaruhan susunan struktur kerucut. Difraksi laser anu datang ku aperture topéng nyababkeun distribusi énergi laser anu henteu seragam dina permukaan silikon, anu ngahasilkeun distribusi suhu périodik dina permukaan silikon. Ieu pamustunganana maksa susunan struktur permukaan silikon janten teratur.