Nyenzo Mpya ya Mapinduzi - Silicon Nyeusi
Silikoni nyeusi ni aina mpya ya nyenzo za silikoni zenye sifa bora za optoelectronic. Makala haya yanafupisha kazi ya utafiti kuhusu silikoni nyeusi na Eric Mazur na watafiti wengine katika miaka ya hivi karibuni, yakielezea kwa undani utaratibu wa utayarishaji na uundaji wa silikoni nyeusi, pamoja na sifa zake kama vile unyonyaji, mwangaza, utoaji wa shambani, na mwitikio wa spektrali. Pia yanaangazia matumizi muhimu ya silikoni nyeusi katika vigunduzi vya infrared, seli za jua, na maonyesho ya paneli tambarare.
Silikoni ya fuwele hutumika sana katika tasnia ya nusu-semiconductor kutokana na faida zake kama vile urahisi wa utakaso, urahisi wa kutumia dawa za kuongeza nguvu, na upinzani wa joto kali. Hata hivyo, pia ina vikwazo vingi, kama vile mwangaza mwingi unaoonekana na wa infrared kwenye uso wake. Zaidi ya hayo, kutokana na pengo lake kubwa la bendi,silikoni ya fuweleHaiwezi kunyonya mwanga kwa mawimbi ya zaidi ya 1100 nm. Wakati urefu wa wimbi la mwanga wa tukio ni zaidi ya 1100 nm, kiwango cha unyonyaji na mwitikio wa vigunduzi vya silikoni hupunguzwa sana. Vifaa vingine kama vile germanium na indium gallium arsenide lazima vitumike kugundua mawimbi haya. Hata hivyo, gharama kubwa, sifa duni za thermodynamic na ubora wa fuwele, na kutolingana na michakato iliyopo ya silikoni iliyokomaa hupunguza matumizi yake katika vifaa vinavyotegemea silikoni. Kwa hivyo, kupunguza uakisi wa nyuso za silikoni za fuwele na kupanua wigo wa wimbi la kugundua la vigunduzi vya foto vinavyotegemea silikoni na vinavyoendana na silikoni bado ni mada muhimu ya utafiti.
Ili kupunguza uakisi wa nyuso za silikoni zenye fuwele, mbinu na mbinu nyingi za majaribio zimetumika, kama vile fotolithografia, uchongaji wa ioni tendaji, na uchongaji wa kielektroniki. Mbinu hizi zinaweza, kwa kiasi fulani, kubadilisha umbo la uso na karibu na uso wa silikoni yenye fuwele, hivyo kupunguzasilikoni Mwangaza wa uso. Katika masafa ya mwanga unaoonekana, kupunguza mwangaza kunaweza kuongeza unyonyaji na kuboresha ufanisi wa kifaa. Hata hivyo, katika masafa ya urefu wa wimbi yanayozidi 1100 nm, ikiwa hakuna viwango vya nishati ya unyonyaji vinavyoingizwa kwenye pengo la bendi ya silicon, mwangaza uliopunguzwa husababisha tu kuongezeka kwa upitishaji, kwa sababu pengo la bendi ya silicon hatimaye hupunguza unyonyaji wake wa mwanga wa urefu wa wimbi mrefu. Kwa hivyo, ili kupanua masafa nyeti ya wimbi la vifaa vinavyotegemea silicon na vinavyolingana na silicon, ni muhimu kuongeza unyonyaji wa fotoni ndani ya pengo la bendi huku wakati huo huo kupunguza mwangaza wa uso wa silicon.
Mwishoni mwa miaka ya 1990, Profesa Eric Mazur na wengine katika Chuo Kikuu cha Harvard walipata nyenzo mpya—silicon nyeusi—wakati wa utafiti wao kuhusu mwingiliano wa leza za femtosecond na maada, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1. Walipokuwa wakisoma sifa za fotoelectric za silicon nyeusi, Eric Mazur na wenzake walishangaa kugundua kwamba nyenzo hii ya silicon yenye muundo mdogo ina sifa za kipekee za fotoelectric. Inachukua karibu mwanga wote katika safu ya karibu-ultraviolet na karibu-infrared (0.25–2.5 μm), ikionyesha sifa bora za mwangaza zinazoonekana na karibu-infrared na sifa nzuri za utoaji wa uwanja. Ugunduzi huu ulisababisha hisia katika tasnia ya nusu-semiconductor, huku majarida makubwa yakishindana kuripoti kuihusu. Mnamo 1999, majarida ya Scientific American na Discover, mnamo 2000 sehemu ya sayansi ya Los Angeles Times, na mnamo 2001 jarida la New Scientist yote yalichapisha makala zinazozungumzia ugunduzi wa silicon nyeusi na matumizi yake yanayowezekana, wakiamini kuwa ina thamani kubwa ya uwezo katika nyanja kama vile kuhisi kwa mbali, mawasiliano ya macho, na vifaa vya elektroniki vidogo.
Hivi sasa, T. Samet kutoka Ufaransa, Anoife M. Moloney kutoka Ireland, Zhao Li kutoka Chuo Kikuu cha Fudan nchini China, na Men Haining kutoka Chuo cha Sayansi cha China wote wamefanya utafiti wa kina kuhusu silikoni nyeusi na kupata matokeo ya awali. SiOnyx, kampuni iliyoko Massachusetts, Marekani, imekusanya hata dola milioni 11 katika mtaji wa ubia ili kutumika kama jukwaa la maendeleo ya teknolojia kwa makampuni mengine, na imeanza uzalishaji wa kibiashara wa wafers nyeusi za silikoni zenye msingi wa sensor, ikijiandaa kutumia bidhaa zilizokamilika katika mifumo ya upigaji picha wa infrared wa kizazi kijacho. Stephen Saylor, Mkurugenzi Mtendaji wa SiOnyx, alisema kwamba faida za gharama nafuu na unyeti mkubwa wa teknolojia ya silikoni nyeusi bila shaka zitavutia umakini wa makampuni yanayolenga masoko ya utafiti na upigaji picha wa kimatibabu. Katika siku zijazo, inaweza hata kuingia katika soko la kamera za kidijitali na kamera za mabilioni ya dola. SiOnyx pia kwa sasa inajaribu sifa za fotovoltaic za silikoni nyeusi, na kuna uwezekano mkubwa kwambasilikoni nyeusiitatumika katika seli za jua katika siku zijazo. 1. Mchakato wa Uundaji wa Silicon Nyeusi
1.1 Mchakato wa Maandalizi
Vigae vya silikoni vyenye fuwele moja husafishwa mfululizo kwa kutumia trikloroethilini, asetoni, na methanoli, na kisha kuwekwa kwenye hatua ya shabaha inayoweza kusongeshwa yenye vipimo vitatu katika chumba cha utupu. Shinikizo la msingi la chumba cha utupu ni chini ya 1.3 × 10⁻² Pa. Gesi inayofanya kazi inaweza kuwa SF₆, Cl₂, N₂, hewa, H₂S, H₂, SiH₄, n.k., ikiwa na shinikizo la kufanya kazi la 6.7 × 10⁴ Pa. Vinginevyo, mazingira ya utupu yanaweza kutumika, au poda za elementi za S, Se, au Te zinaweza kupakwa kwenye uso wa silikoni katika utupu. Hatua ya shabaha inaweza pia kuzamishwa ndani ya maji. Mapigo ya Femtosecond (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) yanayotokana na kipaza sauti cha urejeshaji cha leza ya Ti:safiro huelekezwa na lenzi na kuangaziwa kwa mng'ao kwenye uso wa silicon (nishati ya kutoa leza inadhibitiwa na kipunguza mwanga, ambacho kina bamba la nusu-wimbi na polarizer). Kwa kusogeza hatua ya kulenga ili kuchanganua uso wa silicon kwa kutumia doa la leza, nyenzo nyeusi ya silicon ya eneo kubwa inaweza kupatikana. Kubadilisha umbali kati ya lenzi na wafer ya silicon kunaweza kurekebisha ukubwa wa doa la mwanga linaloangaziwa kwenye uso wa silicon, na hivyo kubadilisha mwanga wa leza; wakati ukubwa wa doa ni thabiti, kubadilisha kasi ya kusonga ya hatua ya kulenga kunaweza kurekebisha idadi ya mapigo yanayoangaziwa kwenye eneo la kitengo cha uso wa silicon. Gesi inayofanya kazi huathiri pakubwa umbo la muundo mdogo wa uso wa silicon. Wakati gesi inayofanya kazi ni thabiti, kubadilisha mwanga wa leza na idadi ya mapigo yanayopokelewa kwa kila eneo la kitengo kunaweza kudhibiti urefu, uwiano wa kipengele, na nafasi ya miundo midogo.
1.2 Sifa za Hadubini
Baada ya miale ya leza ya femtosecond, uso wa silicon laini wa fuwele hapo awali unaonyesha safu ya miundo midogo ya koni iliyopangwa kwa utaratibu. Sehemu za juu za koni ziko kwenye ndege moja na uso wa silicon usio na mionzi unaozunguka. Umbo la muundo wa koni linahusiana na gesi inayofanya kazi, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 2, ambapo miundo ya koni iliyoonyeshwa katika (a), (b), na (c) imeundwa katika angahewa za SF₆, S, na N₂, mtawalia. Hata hivyo, mwelekeo wa sehemu za juu za koni hautegemei gesi na kila mara huelekeza upande wa matukio ya leza, hauathiriwi na mvuto, na pia hautegemei aina ya doping, upinzani, na mwelekeo wa fuwele wa silicon ya fuwele; besi za koni hazina ulinganifu, huku mhimili wao mfupi ukilingana na mwelekeo wa polarization ya leza. Miundo ya koni iliyoundwa hewani ndiyo mikali zaidi, na nyuso zao zimefunikwa na miundo midogo ya dendritic ya 10–100 nm.
Kadiri mwangaza wa leza unavyoongezeka na kadiri idadi ya mapigo inavyoongezeka, ndivyo miundo ya koni inavyokuwa mirefu na pana zaidi. Katika gesi ya SF6, urefu h na nafasi d ya miundo ya koni zina uhusiano usio wa mstari, ambao unaweza kuonyeshwa kama h∝dp, ambapo p=2.4±0.1; urefu h na nafasi d huongezeka sana kadri mwangaza wa leza unavyoongezeka. Mwangaza unapoongezeka kutoka 5 kJ/m² hadi 10 kJ/m², nafasi d huongezeka kwa mara 3, na pamoja na uhusiano kati ya h na d, urefu h huongezeka kwa mara 12.
Baada ya kufyonzwa kwa joto la juu (1200 K, saa 3) katika ombwe, miundo ya koni yasilikoni nyeusihaikubadilika sana, lakini miundo midogo ya dendritic ya 10–100 nm juu ya uso ilipunguzwa sana. Spektroskopia ya njia ya ioni ilionyesha kuwa shida kwenye uso wa koni ilipungua baada ya kuunganishwa, lakini miundo mingi iliyoharibika haikubadilika chini ya hali hizi za kuunganishwa.
1.3 Utaratibu wa Uundaji
Kwa sasa, utaratibu wa uundaji wa silicon nyeusi hauko wazi. Hata hivyo, Eric Mazur et al. walidhani, kulingana na mabadiliko katika umbo la muundo mdogo wa uso wa silicon na mazingira ya kufanya kazi, kwamba chini ya kuchochea kwa leza za femtosecond zenye nguvu kubwa, kuna mmenyuko wa kemikali kati ya gesi na uso wa silicon wa fuwele, na kuruhusu uso wa silicon kuchomwa na gesi fulani, na kutengeneza koni kali. Eric Mazur et al. walihusisha mifumo ya kimwili na kemikali ya uundaji wa muundo mdogo wa uso wa silicon na: kuyeyuka na kuchomwa kwa substrate ya silicon inayosababishwa na mapigo ya leza yenye mvuto mkubwa; kuchomwa kwa substrate ya silicon na ioni tendaji na chembe zinazozalishwa na uwanja wenye nguvu wa leza; na uundaji upya wa sehemu iliyochomwa ya silicon ya substrate.
Miundo ya koni kwenye uso wa silikoni huundwa kwa hiari, na safu ya kawaida inaweza kuundwa bila barakoa. MY Shen na wenzake waliunganisha wavu wa shaba wa darubini ya elektroni ya upitishaji yenye unene wa μm 2 kwenye uso wa silikoni kama barakoa, kisha wakawasha wafer ya silikoni katika gesi ya SF6 kwa leza ya femtosecond. Walipata safu ya miundo ya koni iliyopangwa mara kwa mara kwenye uso wa silikoni, sambamba na muundo wa barakoa (tazama Mchoro 4). Ukubwa wa uwazi wa barakoa huathiri pakubwa mpangilio wa miundo ya koni. Mtawanyiko wa leza ya tukio na vifungu vya barakoa husababisha usambazaji usio sawa wa nishati ya leza kwenye uso wa silikoni, na kusababisha usambazaji wa joto mara kwa mara kwenye uso wa silikoni. Hii hatimaye hulazimisha safu ya muundo wa uso wa silikoni kuwa ya kawaida.