Byltingarkennt nýtt efni – svart kísill
Svart kísill er ný tegund kísilsefnis með framúrskarandi ljósfræðilega eiginleika. Þessi grein dregur saman rannsóknir Erics Mazur og annarra vísindamanna á svörtu kísilli á undanförnum árum og lýsir ítarlega framleiðslu- og myndunarferli svarts kísils, sem og eiginleikum þess eins og frásog, ljómandi ljós, geislunarsviðs og litrófssvörun. Einnig er bent á mikilvæga mögulega notkun svarts kísils í innrauða skynjara, sólarsellum og flatskjám.
Kristallað kísill er mikið notað í hálfleiðaraiðnaði vegna kosta þess eins og auðveldrar hreinsunar, auðveldar íblöndunar og háhitaþols. Hins vegar hefur það einnig marga galla, svo sem mikla endurskinsgetu sýnilegs og innrauðs ljóss á yfirborðinu. Ennfremur, vegna stórs bandbils,kristallað kísillgeta ekki gleypt ljós með bylgjulengdir stærri en 1100 nm. Þegar bylgjulengd innfallandi ljóss er meiri en 1100 nm minnkar frásogs- og svörunarhraði kísillnema til muna. Önnur efni eins og germaníum og indíum gallíumarseníð verður að nota til að greina þessar bylgjulengdir. Hins vegar takmarka hár kostnaður, léleg varmafræðileg eiginleikar og kristalgæði, og ósamrýmanleiki við núverandi þroskuð kísillferli notkun þeirra í kísiltækjum. Þess vegna er það enn heitt rannsóknarefni að draga úr endurskini kristallaðra kísilflata og lengja bylgjulengdarsvið greiningar á kísilbundnum og kísilsamhæfum ljósnema.
Til að draga úr endurspeglun á yfirborði kristallaðs kísils hafa margar tilraunaaðferðir og tækni verið notaðar, svo sem ljósritun, jónettun með hvarfgjörnum jónum og rafefnafræðilegri etsun. Þessar aðferðir geta að einhverju leyti breytt yfirborðs- og nær-yfirborðsformgerð kristallaðs kísils og þannig dregið úr...sílikon Endurspeglun á yfirborði. Í sýnilegu ljóssviði getur minnkun endurspeglunar aukið frásog og bætt skilvirkni tækja. Hins vegar, við bylgjulengdir yfir 1100 nm, ef engin frásogsorka er kynnt inn í kísillbandbilið, leiðir minnkuð endurspeglun aðeins til aukinnar ljósgegndræpis, því bandbilið í kísli takmarkar að lokum frásog þess á langbylgjuljósi. Þess vegna, til að lengja næmt bylgjulengdarsvið kísill-byggðra og kísill-samhæfðra tækja, er nauðsynlegt að auka ljósgleypni innan bandbilsins og samtímis draga úr endurspeglun á yfirborði kísils.
Seint á tíunda áratugnum fundu prófessor Eric Mazur og fleiri við Harvard-háskóla nýtt efni - svart kísill - í rannsóknum sínum á víxlverkun femtósekúndu leysigeisla við efni, eins og sést á mynd 1. Þegar Eric Mazur og samstarfsmenn hans voru að rannsaka ljósvirkni svarts kísils komust þeir að því að uppgötva að þetta örbyggingaða kísillefni býr yfir einstökum ljósvirkni. Það gleypir næstum allt ljós á nær-útfjólubláu og nær-innrauðu sviði (0,25–2,5 μm) og sýnir framúrskarandi sýnilegt og nær-innrautt ljós og góða eiginleika fyrir geislun á sviði. Þessi uppgötvun olli miklu umtali í hálfleiðaraiðnaðinum og helstu tímarit kepptust um að fjalla um hana. Árið 1999 birtu tímaritin Scientific American og Discover, árið 2000 vísindadeild Los Angeles Times og árið 2001 New Scientist tímarit öll greinar um uppgötvun svarts kísils og möguleg notkunarsvið þess, og töldu að það hefði verulegt möguleikagildi á sviðum eins og fjarkönnun, ljósfræðilegum samskiptum og örrafeindatækni.
Nú hafa T. Samet frá Frakklandi, Anoife M. Moloney frá Írlandi, Zhao Li frá Fudan-háskóla í Kína og Men Haining frá Kínversku vísindaakademíunni öll framkvæmt ítarlegar rannsóknir á svörtum kísil og náð bráðabirgðaniðurstöðum. SiOnyx, fyrirtæki í Massachusetts í Bandaríkjunum, hefur jafnvel safnað 11 milljónum dala í áhættufjármagni til að þjóna sem tækniþróunarvettvangur fyrir önnur fyrirtæki og hefur hafið viðskiptaframleiðslu á svörtum kísilþynnum sem byggja á skynjurum og undirbúið notkun fullunninna vara í næstu kynslóð innrauða myndgreiningarkerfa. Stephen Saylor, forstjóri SiOnyx, sagði að lágur kostnaður og mikil næmni svarts kísilstækni muni óhjákvæmilega vekja athygli fyrirtækja sem einbeita sér að rannsóknum og læknisfræðilegri myndgreiningu. Í framtíðinni gæti það jafnvel komið inn á markaðinn fyrir stafrænar myndavélar og myndbandsupptökuvélar sem velta milljarða dala. SiOnyx er einnig að gera tilraunir með ljósvirkni svarts kísils og það er mjög líklegt að ...svart sílikonverður notað í sólarsellum í framtíðinni. 1. Myndunarferli svarts kísils
1.1 Undirbúningsferli
Einkristalla kísillskífur eru hreinsaðar í röð með tríklóretýleni, asetoni og metanóli og síðan settar á þrívíddarhreyfanlegan markpall í lofttæmisklefa. Grunnþrýstingur lofttæmisklefans er minni en 1,3 × 10⁻² Pa. Vinnslugasið getur verið SF₆, Cl₂, N₂, loft, H₂S, H₂, SiH₄ o.s.frv., með vinnuþrýsting upp á 6,7 × 10⁴ Pa. Einnig er hægt að nota lofttæmisumhverfi eða húða frumefnisduft af S, Se eða Te á kísillyfirborðið í lofttæmi. Markpallinn getur einnig verið dýftur í vatn. Femtosekúndu púlsar (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) sem myndaðir eru með endurnýjunarmagnara úr títaníum:safír leysigeisla eru einbeittir með linsu og geislaðir hornrétt á kísilflötinn (leysigeislaorkan er stjórnað af deyfibúnaði, sem samanstendur af hálfbylgjuplötu og skautunarbúnaði). Með því að færa markstigið til að skanna kísilflötinn með leysigeislablettinum er hægt að fá svart kísilefni með stóru svæði. Með því að breyta fjarlægðinni milli linsunnar og kísilþynnunnar er hægt að aðlaga stærð ljósblettsins sem geislast á kísilflötinn og þar með breyta leysigeislaflæðinu; þegar blettstærðin er stöðug getur breyting á hreyfihraða markstigsins aðlagað fjölda púlsa sem geislast er á einingarflatarmál kísilflötsins. Vinnslugasið hefur veruleg áhrif á lögun örbyggingar kísilflötsins. Þegar vinnugasið er stöðugt getur breyting á leysigeislaflæðinu og fjölda púlsa sem berast á einingarflatarmál stjórnað hæð, hlutfallslegu hlutfalli og bili örbygginganna.
1.2 Smásjárfræðileg einkenni
Eftir femtósekúndu leysigeislun sýnir upphaflega slétta kristallaða kísillyfirborðið röð af hálfreglulega raðuðum smáum keilulaga strúktúrum. Keilutopparnir eru á sama fleti og umlykjandi ógeislaða kísillyfirborðið. Lögun keilulaga strúktúrsins tengist vinnugasinu, eins og sýnt er á mynd 2, þar sem keilulaga strúktúrarnir sem sýndir eru í (a), (b) og (c) eru myndaðir í SF₆, S og N₂ andrúmsloftum, talið í sömu röð. Hins vegar er stefna keilutoppanna óháð gasinu og bendir alltaf í átt að leysigeisluninni, óháð þyngdaraflinu, og einnig óháð gerð lyfjagjafar, viðnámi og kristalstefnu kristallaða kísillsins; keilubotnarnir eru ósamhverfir, með stutta ásinn samsíða pólunarstefnu leysigeislans. Keilulaga strúktúrarnir sem myndast í lofti eru grófastir og yfirborð þeirra eru þakin enn fínni dendritískum nanóstrúktúrum sem eru 10–100 nm.
Því hærri sem leysigeislunin er og því fleiri púlsa sem eru notaðir, því hærri og breiðari verða keilulaga mannvirkin. Í SF6 gasi er ólínulegt samband milli hæðar h og bils milli d keilulaga mannvirkjanna, sem má nokkurn veginn tákna sem h∝dp, þar sem p = 2,4 ± 0,1; bæði hæð h og bil d aukast verulega með aukinni leysigeislun. Þegar geislunin eykst úr 5 kJ/m² í 10 kJ/m² eykst bilið d um 3 sinnum, og ásamt sambandinu milli h og d eykst hæðin h um 12 sinnum.
Eftir háhitaglæðingu (1200 K, 3 klst.) í lofttæmi mynduðust keilulaga byggingarnar afsvart sílikonbreyttist ekki marktækt, en 10–100 nm dendrítísku nanóbyggingarnar á yfirborðinu minnkuðu verulega. Jónagáttarlitrófsgreining sýndi að óreglun á keilulaga yfirborðinu minnkaði eftir glæðingu, en flestar óreglulegu byggingarnar breyttust ekki við þessar glæðingaraðstæður.
1.3 Myndunarferli
Myndunarferli svarts kísils er ekki ljóst eins og er. Hins vegar veltu Eric Mazur o.fl. fyrir sér, byggt á breytingum á lögun yfirborðs örbyggingar kísils með vinnuloftinu, að við örvun með hástyrkum femtósekúndu leysigeislum eigi sér stað efnahvörf milli gassins og yfirborðs kristallaðs kísils, sem gerir kleift að etsa yfirborð kísils með ákveðnum lofttegundum og mynda skarpar keilur. Eric Mazur o.fl. rekja eðlis- og efnafræðilega ferla myndunar örbyggingar kísils til: bráðnunar og afhýðingar kísillundirlagsins af völdum háflæðis leysigeisla; etsunar kísillundirlagsins með hvarfgjörnum jónum og ögnum sem myndast af sterku leysigeislasviði; og endurkristöllunar á afhýddum hluta kísillundirlagsins.
Keilulaga byggingarnar á kísilyfirborðinu myndast sjálfkrafa og hægt er að mynda hálfreglulegt fylki án grímu. MY Shen o.fl. festu 2 μm þykkt koparnet úr rafeindasmásjá við kísilyfirborðið sem grímu og geisluðu síðan kísilskífuna í SF6 gasi með femtosekúndu leysi. Þeir fengu mjög reglulega röð af keilulaga byggingar á kísilyfirborðinu, í samræmi við grímumynstrið (sjá mynd 4). Stærð opnunar grímunnar hefur veruleg áhrif á uppröðun keilulaga byggingaranna. Beyging innfallandi leysigeislans frá opnunum á grímunni veldur ójafnri dreifingu leysigeislaorku á kísilyfirborðinu, sem leiðir til reglubundinnar hitadreifingar á kísilyfirborðinu. Þetta neyðir að lokum kísilyfirborðsbyggingaröðina til að verða regluleg.