Deunydd Chwyldroadol Newydd – Silicon Du
Mae silicon du yn fath newydd o ddeunydd silicon gyda phriodweddau optoelectronig rhagorol. Mae'r erthygl hon yn crynhoi'r gwaith ymchwil ar silicon du gan Eric Mazur ac ymchwilwyr eraill yn ystod y blynyddoedd diwethaf, gan fanylu ar fecanwaith paratoi a ffurfio silicon du, yn ogystal â'i briodweddau fel amsugno, goleuedd, allyriadau maes, ac ymateb sbectrol. Mae hefyd yn tynnu sylw at y cymwysiadau posibl pwysig o silicon du mewn synwyryddion is-goch, celloedd solar, ac arddangosfeydd panel fflat.
Defnyddir silicon crisialog yn helaeth yn y diwydiant lled-ddargludyddion oherwydd ei fanteision megis rhwyddineb puro, rhwyddineb dopio, a gwrthsefyll tymheredd uchel. Fodd bynnag, mae ganddo hefyd lawer o anfanteision, megis adlewyrchedd uchel golau gweladwy ac is-goch ar ei wyneb. Ar ben hynny, oherwydd ei fwlch band mawr,silicon crisialogni allant amsugno golau â thonfeddi sy'n fwy na 1100 nm. Pan fydd tonfedd y golau sy'n dod i mewn yn fwy na 1100 nm, mae cyfradd amsugno ac ymateb synwyryddion silicon yn cael eu lleihau'n fawr. Rhaid defnyddio deunyddiau eraill fel germaniwm ac indiwm galliwm arsenid i ganfod y tonfeddi hyn. Fodd bynnag, mae'r gost uchel, priodweddau thermodynamig gwael ac ansawdd crisial gwael, ac anghydnawsedd â phrosesau silicon aeddfed presennol yn cyfyngu ar eu cymhwysiad mewn dyfeisiau sy'n seiliedig ar silicon. Felly, mae lleihau adlewyrchiad arwynebau silicon crisialog ac ymestyn ystod tonfedd canfod ffotosynhwyryddion sy'n seiliedig ar silicon ac sy'n gydnaws â silicon yn parhau i fod yn bwnc ymchwil poblogaidd.
Er mwyn lleihau adlewyrchiad arwynebau silicon crisialog, mae llawer o ddulliau a thechnegau arbrofol wedi'u defnyddio, megis ffotolithograffeg, ysgythru ïonau adweithiol, ac ysgythru electrocemegol. Gall y technegau hyn, i ryw raddau, newid morffoleg arwyneb ac wyneb agos silicon crisialog, a thrwy hynny leihausilicon adlewyrchiad arwyneb. Yn yr ystod golau gweladwy, gall lleihau adlewyrchiad gynyddu amsugno a gwella effeithlonrwydd dyfeisiau. Fodd bynnag, ar donfeddi sy'n fwy na 1100 nm, os na chyflwynir lefelau egni amsugno i'r bwlch band silicon, dim ond trosglwyddiad cynyddol y mae adlewyrchiad llai yn ei arwain, oherwydd bod bwlch band silicon yn y pen draw yn cyfyngu ar ei amsugno o olau tonfedd hir. Felly, er mwyn ymestyn yr ystod tonfedd sensitif o ddyfeisiau sy'n seiliedig ar silicon ac sy'n gydnaws â silicon, mae angen cynyddu amsugno ffoton o fewn y bwlch band wrth leihau adlewyrchiad arwyneb silicon ar yr un pryd.
Ar ddiwedd y 1990au, cafodd yr Athro Eric Mazur ac eraill ym Mhrifysgol Harvard ddeunydd newydd—silicon du—yn ystod eu hymchwil ar ryngweithio laserau femtosecond â mater, fel y dangosir yn Ffigur 1. Wrth astudio priodweddau ffotodrydanol silicon du, synnwyd Eric Mazur a'i gydweithwyr i ddarganfod bod gan y deunydd silicon microstrwythuredig hwn briodweddau ffotodrydanol unigryw. Mae'n amsugno bron pob golau yn yr ystod agos-uwchfioled ac agos-isgoch (0.25–2.5 μm), gan arddangos nodweddion goleuedd gweladwy ac agos-isgoch rhagorol a phriodweddau allyriadau maes da. Achosodd y darganfyddiad hwn gynnwrf yn y diwydiant lled-ddargludyddion, gyda chylchgronau mawr yn cystadlu i adrodd arno. Ym 1999, cyhoeddodd cylchgronau Scientific American a Discover, yn 2000 adran wyddoniaeth y Los Angeles Times, ac yn 2001 cylchgrawn New Scientist erthyglau nodwedd yn trafod darganfod silicon du a'i gymwysiadau posibl, gan gredu bod ganddo werth potensial sylweddol mewn meysydd fel synhwyro o bell, cyfathrebu optegol, a microelectroneg.
Ar hyn o bryd, mae T. Samet o Ffrainc, Anoife M. Moloney o Iwerddon, Zhao Li o Brifysgol Fudan yn Tsieina, a Men Haining o Academi Gwyddorau Tsieina i gyd wedi cynnal ymchwil helaeth ar silicon du ac wedi cyflawni canlyniadau rhagarweiniol. Mae SiOnyx, cwmni yn Massachusetts, UDA, hyd yn oed wedi codi $11 miliwn mewn cyfalaf menter i wasanaethu fel platfform datblygu technoleg i gwmnïau eraill, ac wedi dechrau cynhyrchu wafferi silicon du sy'n seiliedig ar synwyryddion yn fasnachol, gan baratoi i ddefnyddio'r cynhyrchion gorffenedig mewn systemau delweddu is-goch y genhedlaeth nesaf. Dywedodd Stephen Saylor, Prif Swyddog Gweithredol SiOnyx, y bydd manteision cost isel a sensitifrwydd uchel technoleg silicon du yn anochel yn denu sylw cwmnïau sy'n canolbwyntio ar farchnadoedd ymchwil a delweddu meddygol. Yn y dyfodol, efallai y bydd hyd yn oed yn ymuno â'r farchnad camerâu digidol a chamerâu fideo gwerth biliynau o ddoleri. Mae SiOnyx hefyd ar hyn o bryd yn arbrofi gyda phriodweddau ffotofoltäig silicon du, ac mae'n debygol iawn y byddsilicon duyn cael ei ddefnyddio mewn celloedd solar yn y dyfodol. 1. Proses Ffurfio Silicon Du
1.1 Proses Paratoi
Caiff wafferi silicon un grisial eu glanhau'n olynol â thrichloroethylene, aseton, a methanol, ac yna'u gosod ar lwyfan targed symudol tri dimensiwn mewn siambr gwactod. Mae pwysedd sylfaenol y siambr gwactod yn llai nag 1.3 × 10⁻² Pa. Gall y nwy gweithio fod yn SF₆, Cl₂, N₂, aer, H₂S, H₂, SiH₄, ac ati, gyda phwysedd gweithio o 6.7 × 10⁴ Pa. Fel arall, gellir defnyddio amgylchedd gwactod, neu gellir gorchuddio powdrau elfennol o S, Se, neu Te ar wyneb y silicon mewn gwactod. Gellir trochi'r llwyfan targed mewn dŵr hefyd. Mae pylsau femtosecond (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) a gynhyrchir gan fwyhadur adfywiol laser Ti:saffir yn cael eu ffocysu gan lens a'u harbelydru'n berpendicwlar ar yr wyneb silicon (mae ynni allbwn y laser yn cael ei reoli gan wanhawr, sy'n cynnwys plât hanner ton a pholarydd). Trwy symud y llwyfan targed i sganio'r wyneb silicon gyda'r smotyn laser, gellir cael deunydd silicon du arwynebedd mawr. Gall newid y pellter rhwng y lens a'r wafer silicon addasu maint y smotyn golau sy'n cael ei arbelydru ar yr wyneb silicon, a thrwy hynny newid fflwiant y laser; pan fydd maint y smotyn yn gyson, gall newid cyflymder symud y llwyfan targed addasu nifer y pylsau sy'n cael eu harbelydru ar arwynebedd uned o'r wyneb silicon. Mae'r nwy gweithio yn effeithio'n sylweddol ar siâp microstrwythur arwyneb y silicon. Pan fydd y nwy gweithio yn gyson, gall newid fflwiant y laser a nifer y pylsau a dderbynnir fesul arwynebedd uned reoli uchder, cymhareb agwedd, a bylchau'r microstrwythurau.
1.2 Nodweddion Microsgopig
Ar ôl arbelydru laser femtosecond, mae'r wyneb silicon crisialog llyfn gwreiddiol yn arddangos amrywiaeth o strwythurau conigol bach wedi'u trefnu'n lled-reolaidd. Mae topiau'r côn ar yr un plân â'r wyneb silicon heb ei arbelydru o'i gwmpas. Mae siâp y strwythur conigol yn gysylltiedig â'r nwy gweithio, fel y dangosir yn Ffigur 2, lle mae'r strwythurau conigol a ddangosir yn (a), (b), a (c) wedi'u ffurfio mewn atmosfferau SF₆, S, ac N₂, yn y drefn honno. Fodd bynnag, mae cyfeiriad topiau'r côn yn annibynnol ar y nwy ac mae bob amser yn pwyntio i gyfeiriad taro'r laser, heb ei effeithio gan ddisgyrchiant, a hefyd yn annibynnol ar y math o ddopio, gwrthedd, a chyfeiriadedd crisial y silicon crisialog; mae sylfeini'r côn yn anghymesur, gyda'u hechelin fer yn gyfochrog â chyfeiriad polareiddio'r laser. Y strwythurau conigol a ffurfiwyd yn yr awyr yw'r rhai mwyaf garw, ac mae eu harwynebau wedi'u gorchuddio â nanostrwythurau dendritig hyd yn oed yn fwy mân o 10–100 nm.
Po uchaf yw fflwcs y laser a pho fwyaf yw nifer y pylsau, y mwyaf tal a lled yw'r strwythurau conigol. Mewn nwy SF6, mae gan uchder h a bylchau d y strwythurau conigol berthynas anlinellol, y gellir ei fynegi'n fras fel h∝dp, lle mae p=2.4±0.1; mae uchder h a bylchau d yn cynyddu'n sylweddol wrth i fflwcs y laser gynyddu. Pan fydd y fflwcs yn cynyddu o 5 kJ/m² i 10 kJ/m², mae'r bylchau d yn cynyddu 3 gwaith, ac ynghyd â'r berthynas rhwng h a d, mae'r uchder h yn cynyddu 12 gwaith.
Ar ôl anelio tymheredd uchel (1200 K, 3 awr) mewn gwactod, strwythurau conigolsilicon duni newidiodd yn sylweddol, ond gostyngwyd y nanostrwythurau dendritig 10–100 nm ar yr wyneb yn fawr. Dangosodd sbectrosgopeg sianelu ïonau fod yr anhrefn ar yr wyneb conigol wedi lleihau ar ôl anelio, ond ni newidiodd y rhan fwyaf o'r strwythurau anhrefnus o dan yr amodau anelio hyn.
1.3 Mecanwaith Ffurfio
Ar hyn o bryd, nid yw mecanwaith ffurfio silicon du yn glir. Fodd bynnag, dyfaluodd Eric Mazur et al., yn seiliedig ar y newid yn siâp microstrwythur wyneb y silicon gyda'r awyrgylch gweithio, o dan ysgogiad laserau femtosecond dwyster uchel, fod adwaith cemegol rhwng y nwy ac wyneb y silicon crisialog, gan ganiatáu i wyneb y silicon gael ei ysgythru gan rai nwyon, gan ffurfio conau miniog. Priodolodd Eric Mazur et al. y mecanweithiau ffisegol a chemegol ar gyfer ffurfio microstrwythur wyneb silicon i: toddi ac abladiad y swbstrad silicon a achosir gan bylsys laser uchel-fflwcs; ysgythru'r swbstrad silicon gan ïonau a gronynnau adweithiol a gynhyrchir gan y maes laser cryf; ac ailgrisialu'r rhan abladedig o'r swbstrad silicon.
Mae'r strwythurau conigol ar wyneb y silicon yn cael eu ffurfio'n ddigymell, a gellir ffurfio arae cwasi-reolaidd heb fasg. Atododd MY Shen et al. rwyll copr microsgop electron trawsyrru 2 μm o drwch i wyneb y silicon fel masg, ac yna arbelydru'r wafer silicon mewn nwy SF6 gyda laser femtosecond. Fe wnaethant gael arae o strwythurau conigol wedi'u trefnu'n rheolaidd iawn ar wyneb y silicon, yn gyson â phatrwm y masg (gweler Ffigur 4). Mae maint agorfa'r masg yn effeithio'n sylweddol ar drefniant y strwythurau conigol. Mae diffractiad y laser digwyddiadol gan agoriadau'r masg yn achosi dosbarthiad anghyson o ynni laser ar wyneb y silicon, gan arwain at ddosbarthiad tymheredd cyfnodol ar wyneb y silicon. Mae hyn yn y pen draw yn gorfodi arae strwythur wyneb y silicon i ddod yn rheolaidd.