Революциялык жаңы материал – кара кремний
Кара кремний - эң сонун оптоэлектрондук касиеттерге ээ болгон жаңы типтеги кремний материалы. Бул макалада Эрик Мазур жана башка изилдөөчүлөр тарабынан акыркы жылдардагы кара кремний боюнча жүргүзүлгөн изилдөө иштери кыскача баяндалып, кара кремнийди даярдоо жана пайда болуу механизми, ошондой эле анын сиңирүү, люминесценция, талаа эмиссиясы жана спектрдик жооп сыяктуу касиеттери кеңири баяндалат. Ошондой эле, кара кремнийди инфракызыл детекторлордо, күн батареяларында жана жалпак панелдүү дисплейлерде колдонуунун маанилүү потенциалы белгиленет.
Кристаллдык кремний тазалоонун оңойлугу, легирлөөнүн оңойлугу жана жогорку температурага туруктуулугу сыяктуу артыкчылыктарынан улам жарым өткөргүчтөр өнөр жайында кеңири колдонулат. Бирок, анын көптөгөн кемчиликтери бар, мисалы, анын бетиндеги көрүнгөн жана инфракызыл жарыктын жогорку чагылдырылышы. Андан тышкары, анын чоң тилкелүү аралыгынан улам,кристаллдык кремнийтолкун узундугу 1100 нмден ашкан жарыкты сиңире албайт. Түшкөн жарыктын толкун узундугу 1100 нмден ашканда, кремний детекторлорунун сиңирүү жана жооп берүү ылдамдыгы бир топ төмөндөйт. Бул толкун узундуктарын аныктоо үчүн германий жана индий галлий арсениди сыяктуу башка материалдарды колдонуу керек. Бирок, жогорку баасы, начар термодинамикалык касиеттери жана кристаллдын сапаты, ошондой эле учурдагы жетилген кремний процесстери менен шайкеш келбестиги аларды кремний негизиндеги түзмөктөрдө колдонууну чектейт. Ошондуктан, кристаллдык кремний беттеринин чагылышын азайтуу жана кремний негизиндеги жана кремнийге шайкеш фотодетекторлордун аныктоо толкун узундугунун диапазонун кеңейтүү актуалдуу изилдөө темасы бойдон калууда.
Кристаллдык кремний беттеринин чагылышын азайтуу үчүн фотолитография, реактивдүү иондук оюу жана электрохимиялык оюу сыяктуу көптөгөн эксперименталдык ыкмалар жана ыкмалар колдонулган. Бул ыкмалар белгилүү бир деңгээлде кристаллдык кремнийдин беттик жана бетке жакын морфологиясын өзгөртүп, ошону менен азайта алат.кремний беттик чагылдыруу. Көрүнүүчү жарык диапазонунда чагылдырууну азайтуу сиңирүүнү жогорулатып, түзмөктүн натыйжалуулугун жогорулатат. Бирок, 1100 нмден ашкан толкун узундуктарында, эгерде кремнийдин тилкелүү аралыгына сиңирүү энергиясынын деңгээли киргизилбесе, чагылдыруунун азайышы өткөрүүнүн жогорулашына гана алып келет, анткени кремнийдин тилкелүү аралыгы акыры анын узун толкундуу жарыкты сиңирүүсүн чектейт. Ошондуктан, кремний негизиндеги жана кремний менен шайкеш келген түзмөктөрдүн сезгич толкун узундугунун диапазонун кеңейтүү үчүн, ошол эле учурда кремнийдин беттик чагылдыруусун азайтуу менен тилкелүү аралыктын ичиндеги фотондордун сиңирүүсүн көбөйтүү керек.
1990-жылдардын аягында Гарвард университетинин профессору Эрик Мазур жана башкалар фемтосекунддук лазерлердин зат менен өз ара аракеттенүүсүн изилдөө учурунда жаңы материалды — кара кремнийди — алышкан, бул 1-сүрөттө көрсөтүлгөн. Кара кремнийдин фотоэлектрдик касиеттерин изилдеп жатып, Эрик Мазур жана анын кесиптештери бул микроструктураланган кремний материалы уникалдуу фотоэлектрдик касиеттерге ээ экенин билип таң калышкан. Ал жакынкы ультрафиолет жана жакынкы инфракызыл диапазондогу (0,25–2,5 мкм) дээрлик бардык жарыкты сиңирип, эң сонун көрүнгөн жана жакынкы инфракызыл люминесценция мүнөздөмөлөрүн жана жакшы талаа эмиссиясынын касиеттерин көрсөткөн. Бул ачылыш жарым өткөргүчтөр тармагында чоң сенсация жаратып, ири журналдар бул тууралуу кабарлоо үчүн атаандашышкан. 1999-жылы Scientific American жана Discover журналдары, 2000-жылы Los Angeles Times илимий бөлүмү жана 2001-жылы New Scientist журналы кара кремнийдин ачылышы жана анын потенциалдуу колдонулушу жөнүндө талкуулаган макалаларды жарыялап, анын алыстан зонддоо, оптикалык байланыш жана микроэлектроника сыяктуу тармактарда олуттуу потенциалдуу мааниси бар деп эсептешкен.
Учурда Франциядан келген Т. Самет, Ирландиядан келген Аноифе М. Молони, Кытайдагы Фудан университетинен Чжао Ли жана Кытай Илимдер академиясынан Мен Хайнинг кара кремний боюнча кеңири изилдөөлөрдү жүргүзүп, алдын ала жыйынтыктарга жетишти. АКШнын Массачусетс штатындагы SiOnyx компаниясы башка компаниялар үчүн технологиялык иштеп чыгуу платформасы катары кызмат кылуу үчүн 11 миллион долларлык венчурдук капиталды чогултуп, сенсордук негиздеги кара кремний пластиналарын коммерциялык өндүрүшкө киргизип, даяр продукцияны кийинки муундагы инфракызыл сүрөткө тартуу системаларында колдонууга даярданууда. SiOnyx компаниясынын башкы директору Стивен Сейлор кара кремний технологиясынын арзан жана жогорку сезгичтик артыкчылыктары сөзсүз түрдө изилдөө жана медициналык сүрөткө тартуу рынокторуна багытталган компаниялардын көңүлүн бурат деп билдирди. Келечекте ал тургай көп миллиард долларлык санарип камера жана видеокамера рыногуна кириши мүмкүн. SiOnyx учурда кара кремнийдин фотоэлектрдик касиеттери менен эксперимент жүргүзүп жатат жана бул абдан ыктымал...кара кремнийкелечекте күн батареяларында колдонулат. 1. Кара кремнийдин пайда болуу процесси
1.1 Даярдоо процесси
Монокристаллдуу кремний пластиналары трихлорэтилен, ацетон жана метанол менен ырааттуу түрдө тазаланат, андан кийин вакуум камерасындагы үч өлчөмдүү кыймылдуу максаттуу баскычка коюлат. Вакуум камерасынын базалык басымы 1,3 × 10⁻² Падан аз. Жумушчу газ SF₆, Cl₂, N₂, аба, H₂S, H₂, SiH₄ ж.б. болушу мүмкүн, жумушчу басымы 6,7 × 10⁴ Па. Же болбосо, вакуум чөйрөсүн колдонсо болот же S, Se же Te элементтик порошокторун вакуумда кремнийдин бетине каптаса болот. Максаттуу баскычты сууга да чөмүлтсө болот. Ti:сапфир лазердик регенеративдик күчөткүч тарабынан түзүлгөн фемтосекунддук импульстар (800 нм, 100 фс, 500 мкДж, 1 кГц) линза аркылуу фокусталып, кремний бетине перпендикулярдуу нурланат (лазердин чыгуу энергиясы жарым толкундуу пластинадан жана поляризатордон турган аттенюатор менен башкарылат). Максаттуу этапты лазердик так менен кремний бетин сканерлөө үчүн жылдыруу менен чоң аянттагы кара кремний материалын алууга болот. Линза менен кремний пластинасынын ортосундагы аралыкты өзгөртүү кремний бетине нурланган жарык тактынын өлчөмүн тууралап, ошону менен лазердин флюенсин өзгөртө алат; тактын өлчөмү туруктуу болгондо, максаттуу этаптын кыймыл ылдамдыгын өзгөртүү кремний бетинин бирдик аянтына нурланган импульстардын санын тууралай алат. Жумушчу газ кремний бетинин микроструктурасынын формасына олуттуу таасир этет. Жумушчу газ туруктуу болгондо, лазердин флюенсин жана бирдик аянтка кабыл алынган импульстардын санын өзгөртүү микроструктуралардын бийиктигин, пропорциясын жана аралыгын башкара алат.
1.2 Микроскопиялык мүнөздөмөлөр
Фемтосекунддук лазердик нурлантуудан кийин, баштапкы жылмакай кристаллдык кремний бети квази-удаалаш жайгашкан кичинекей конус сымал түзүлүштөрдү көрсөтөт. Конустун үстүнкү катмарлары айланасындагы нурланбаган кремний бети менен бир тегиздикте жайгашкан. Конустук түзүлүштүн формасы жумушчу газга байланыштуу, 2-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, мында (а), (б) жана (в) пункттарында көрсөтүлгөн конус сымал түзүлүштөр тиешелүүлүгүнө жараша SF₆, S жана N₂ атмосфераларында пайда болот. Бирок, конустун үстүнкү катмарларынын багыты газдан көз карандысыз жана ар дайым лазердин түшүү багытына багытталган, тартылуу күчүнө таасир этпейт, ошондой эле кристаллдык кремнийдин легирлөө түрүнө, каршылыгына жана кристаллдык багытына көз каранды эмес; конустун негиздери асимметриялуу, алардын кыска огу лазердин поляризация багытына параллель. Абада пайда болгон конус сымал түзүлүштөр эң орой болуп саналат жана алардын беттери 10–100 нм өлчөмүндөгү андан да майда дендриттик наноструктуралар менен капталган.
Лазердин флюенциалдуулугу канчалык жогору жана импульстардын саны канчалык көп болсо, конус сымал структуралар ошончолук бийик жана кең болот. SF6 газында конус сымал структуралардын h бийиктиги жана d аралыгы сызыктуу эмес байланышка ээ, аны болжол менен h∝dp катары туюнтса болот, мында p=2.4±0.1; h бийиктиги да, d аралыгы да лазердин флюенциалдуулугунун жогорулашы менен бир кыйла жогорулайт. Флюенциалдуулук 5 кДж/м²ден 10 кДж/м²ге чейин жогорулаганда, d аралыгы 3 эсеге көбөйөт жана h менен d ортосундагы байланыш менен айкалышканда, h бийиктиги 12 эсеге көбөйөт.
Вакуумда жогорку температурада (1200 К, 3 саат) күйгүзгөндөн кийин, конус сымал структураларкара кремнийолуттуу өзгөргөн жок, бирок бетиндеги 10–100 нм дендриттик наноструктуралар бир топ азайган. Иондук каналдык спектроскопия конус сымал беттеги баш аламандык күйгүзүүдөн кийин азайганын көрсөттү, бирок башаламан структуралардын көпчүлүгү бул күйгүзүү шарттарында өзгөргөн жок.
1.3 Түзүлүш механизми
Учурда кара кремнийдин пайда болуу механизми так эмес. Бирок, Эрик Мазур жана башкалар жумушчу атмосфера менен кремнийдин бетинин микроструктурасынын формасынын өзгөрүшүнө таянып, жогорку интенсивдүү фемтосекунддук лазерлердин стимуляциясы астында газ менен кристаллдык кремнийдин бетинин ортосунда химиялык реакция жүрүп, кремнийдин бети белгилүү бир газдар менен оюлуп, курч конустарды пайда кылат деп божомолдошкон. Эрик Мазур жана башкалар кремнийдин бетинин микроструктурасынын пайда болушунун физикалык жана химиялык механизмдерин төмөнкүлөргө байланыштырышкан: жогорку флюенстүү лазердик импульстар менен пайда болгон кремнийдин негизинин эриши жана абляциясы; күчтүү лазердик талаа тарабынан пайда болгон реактивдүү иондор жана бөлүкчөлөр менен кремнийдин негизинин оюлушу; жана субстрат кремнийдин абляцияланган бөлүгүнүн кайра кристаллдашуусу.
Кремнийдин бетиндеги конус сымал структуралар өзүнөн-өзү пайда болот жана маскасыз квази-регулярдуу массивди түзүүгө болот. МЫ Шен жана башкалар кремнийдин бетине маска катары 2 мкм калыңдыктагы трансмиссиялык электрондук микроскоптун жез торчосун бекитип, андан кийин кремний пластинасын SF6 газында фемтосекунддук лазер менен нурландырышкан. Алар кремнийдин бетинде маска үлгүсүнө шайкеш келген абдан ырааттуу жайгашкан конус сымал структуралардын массивин алышкан (4-сүрөттү караңыз). Масканын тешик өлчөмү конус сымал структуралардын жайгашуусуна олуттуу таасир этет. Маска тешиктери менен түшкөн лазердин дифракциясы кремнийдин бетинде лазер энергиясынын бирдей эмес бөлүштүрүлүшүнө алып келет, бул кремнийдин бетинде мезгилдүү температуранын бөлүштүрүлүшүнө алып келет. Бул акыры кремнийдин бетинин структуралык массивин ырааттуу болууга мажбурлайт.