Un novu materiale rivoluzionariu - u siliciu neru
U siliciu neru hè un novu tipu di materiale di siliciu cù eccellenti proprietà optoelettroniche. Questu articulu riassume u travagliu di ricerca nantu à u siliciu neru da Eric Mazur è altri circadori in l'ultimi anni, dettagliendu u mecanismu di preparazione è di furmazione di u siliciu neru, è ancu e so proprietà cum'è l'assorbimentu, a luminescenza, l'emissione di campu è a risposta spettrale. Mette ancu in risaltu l'impurtanti applicazioni potenziali di u siliciu neru in i rilevatori infrarossi, e cellule solari è i schermi piatti.
U siliciu cristallinu hè largamente adupratu in l'industria di i semiconduttori per via di i so vantaghji cum'è a facilità di purificazione, a facilità di doping è a resistenza à e alte temperature. Tuttavia, hà ancu parechji svantaghji, cum'è l'alta riflettività di a luce visibile è infrarossa nantu à a so superficia. Inoltre, per via di a so grande banda lacunare,siliciu cristallinuùn pò micca assorbe a luce cù lunghezze d'onda superiori à 1100 nm. Quandu a lunghezza d'onda di a luce incidente hè superiore à 1100 nm, l'assorbimentu è a velocità di risposta di i rilevatori di siliciu sò assai ridotti. Altri materiali cum'è u germaniu è l'arseniuru di galliu d'indiu devenu esse aduprati per rilevà queste lunghezze d'onda. Tuttavia, l'altu costu, e scarse proprietà termodinamiche è a scarsa qualità di u cristallu, è l'incompatibilità cù i prucessi di siliciu maturi esistenti limitanu a so applicazione in i dispositivi à basa di siliciu. Dunque, a riduzione di a riflessione di e superfici di siliciu cristallinu è l'estensione di a gamma di lunghezze d'onda di rilevazione di i fotorilevatori à basa di siliciu è cumpatibili cù u siliciu resta un tema di ricerca caldu.
Per riduce a riflessione di e superfici di siliciu cristallinu, sò stati impiegati parechji metudi è tecniche sperimentali, cum'è a fotolitografia, l'incisione ionica reattiva è l'incisione elettrochimica. Queste tecniche ponu, in una certa misura, cambià a morfologia superficiale è vicina à a superficia di u siliciu cristallinu, riducendu cusìsiliciu riflessione superficiale. In a gamma di luce visibile, riduce a riflessione pò aumentà l'assorbimentu è migliurà l'efficienza di u dispusitivu. Tuttavia, à lunghezze d'onda superiori à 1100 nm, se nisun livellu d'energia d'assorbimentu hè introduttu in a banda di u siliciu, a riflessione ridutta porta solu à una trasmissione aumentata, perchè a banda di u siliciu limita in definitiva u so assorbimentu di luce à lunghezza d'onda longa. Dunque, per allargà a gamma di lunghezze d'onda sensibile di i dispositivi basati nantu à u siliciu è cumpatibili cù u siliciu, hè necessariu aumentà l'assorbimentu di fotoni in a banda di u siliciu riducendu simultaneamente a riflessione superficiale di u siliciu.
À a fine di l'anni 1990, u prufessore Eric Mazur è altri di l'Università di Harvard anu ottenutu un novu materiale - u siliciu neru - durante a so ricerca nantu à l'interazzione di i laser à femtosecondi cù a materia, cum'è mostratu in a Figura 1. Mentre studiavanu e proprietà fotoelettriche di u siliciu neru, Eric Mazur è i so culleghi sò stati sorpresi di scopre chì questu materiale di siliciu microstrutturatu pussede proprietà fotoelettriche uniche. Assorbe quasi tutta a luce in a gamma vicinu à l'ultraviolettu è vicinu à l'infrarossu (0,25-2,5 μm), mustrendu eccellenti caratteristiche di luminescenza visibile è vicinu à l'infrarossu è bone proprietà di emissione di campu. Sta scuperta hà causatu sensazione in l'industria di i semiconduttori, cù e principali riviste chì si sò cuntese per fà un rapportu nantu à ella. In u 1999, e riviste Scientific American è Discover, in u 2000 a sezione scientifica di u Los Angeles Times, è in u 2001 a rivista New Scientist anu publicatu articuli di fondu chì discutenu a scuperta di u siliciu neru è e so potenziali applicazioni, credendu chì hà un valore potenziale significativu in campi cum'è a teledetezione, e cumunicazioni ottiche è a microelettronica.
Attualmente, T. Samet da a Francia, Anoife M. Moloney da l'Irlanda, Zhao Li da l'Università Fudan in Cina, è Men Haining da l'Accademia Cinese di e Scienze anu tutti realizatu ricerche approfondite nantu à u siliciu neru è anu ottenutu risultati preliminari. SiOnyx, una sucietà in Massachusetts, USA, hà ancu raccoltu 11 milioni di dollari in capitale di risicu per serve cum'è piattaforma di sviluppu tecnologicu per altre cumpagnie, è hà iniziatu a produzzione cummerciale di wafer di siliciu neru basati nantu à sensori, preparendu si à aduprà i prudutti finiti in sistemi d'imaghjini infrarossi di prossima generazione. Stephen Saylor, CEO di SiOnyx, hà dichjaratu chì i vantaghji di bassu costu è d'alta sensibilità di a tecnulugia di u siliciu neru attireranu inevitabilmente l'attenzione di e cumpagnie focalizate nantu à i mercati di ricerca è d'imaghjini medica. In u futuru, puderia ancu entre in u mercatu multimiliardariu di e fotocamere è videocamere digitali. SiOnyx sperimenta ancu attualmente cù e proprietà fotovoltaiche di u siliciu neru, è hè assai prubabile chìsilicone neruserà adupratu in e cellule solari in u futuru. 1. Prucessu di furmazione di u siliciu neru
1.1 Prucessu di preparazione
I wafer di siliciu monocristallinu sò puliti sequenzialmente cù tricloroetilene, acetone è metanolu, è dopu posti nantu à un tavulinu di destinazione tridimensionalmente mobile in una camera à vuoto. A pressione di basa di a camera à vuoto hè menu di 1,3 × 10⁻² Pa. U gas di travagliu pò esse SF₆, Cl₂, N₂, aria, H₂S, H₂, SiH₄, ecc., cù una pressione di travagliu di 6,7 × 10⁴ Pa. In alternativa, si pò aduprà un ambiente à vuoto, o si ponu rivestisce polveri elementari di S, Se o Te nantu à a superficia di siliciu in un vacuum. U tavulinu di destinazione pò ancu esse immersu in acqua. Impulsi di femtosecondi (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) generati da un amplificatore rigenerativu laser Ti:zaffiro sò focalizzati da una lente è irradiati perpendicolarmente nantu à a superficia di siliciu (l'energia di uscita laser hè cuntrullata da un attenuatore, chì hè custituitu da una piastra à mezza onda è un polarizzatore). Spostendu u stadiu di destinazione per scansionà a superficia di siliciu cù u puntu laser, si pò ottene materiale di siliciu neru di grande area. Cambiendu a distanza trà a lente è a fetta di siliciu pò aghjustà a dimensione di u puntu luminosu irradiatu nantu à a superficia di siliciu, cambiendu cusì a fluenza laser; quandu a dimensione di u puntu hè custante, cambià a velocità di muvimentu di u stadiu di destinazione pò aghjustà u numeru di impulsi irradiati nantu à una unità di area di a superficia di siliciu. U gas di travagliu influenza significativamente a forma di a microstruttura di a superficia di siliciu. Quandu u gas di travagliu hè custante, cambià a fluenza laser è u numeru di impulsi ricevuti per unità di area pò cuntrullà l'altezza, u rapportu d'aspettu è a spaziatura di e microstrutture.
1.2 Caratteristiche microscopiche
Dopu l'irradiazione laser à femtosecondi, a superficia di siliciu cristallinu inizialmente liscia presenta una serie di piccule strutture coniche disposte quasi regularmente. E cime di i coni sò nantu à u listessu pianu di a superficia di siliciu circundante micca irradiata. A forma di a struttura conica hè ligata à u gas di travagliu, cum'è mostratu in a Figura 2, induve e strutture coniche mostrate in (a), (b) è (c) sò furmate in atmosfere SF₆, S è N₂, rispettivamente. Tuttavia, a direzzione di e cime di i coni hè indipendente da u gas è punta sempre in a direzzione di l'incidenza di u laser, senza esse affettata da a gravità, è ancu indipendente da u tipu di doping, a resistività è l'orientazione cristallina di u siliciu cristallinu; e basi di i coni sò asimmetriche, cù u so asse cortu parallelu à a direzzione di polarizazione di u laser. E strutture coniche furmate in aria sò e più ruvide, è e so superfici sò cuperte da nanostrutture dendritiche ancu più fini di 10-100 nm.
Più alta hè a fluenza laser è più grande hè u numeru d'impulsi, più alte è larghe diventanu e strutture cuniche. In u gas SF6, l'altezza h è a spaziatura d di e strutture cuniche anu una relazione non lineare, chì pò esse espressa apprussimativamente cum'è h∝dp, induve p = 2,4 ± 0,1; sia l'altezza h sia a spaziatura d aumentanu significativamente cù l'aumentu di a fluenza laser. Quandu a fluenza aumenta da 5 kJ / m² à 10 kJ / m², a spaziatura d aumenta di 3 volte, è cumminata cù a relazione trà h è d, l'altezza h aumenta di 12 volte.
Dopu à a ricottura à alta temperatura (1200 K, 3 h) in u vacuum, e strutture cuniche disilicone neruùn hà micca cambiatu significativamente, ma e nanostrutture dendritiche di 10-100 nm nantu à a superficia sò state assai ridotte. A spettroscopia di canalizazione ionica hà dimustratu chì u disordine nantu à a superficia cònica hè diminuitu dopu a ricottura, ma a maiò parte di e strutture disordinate ùn sò micca cambiate in queste cundizioni di ricottura.
1.3 Meccanismu di furmazione
Attualmente, u mecanismu di furmazione di u siliciu neru ùn hè micca chjaru. Tuttavia, Eric Mazur et al. anu speculatu, basendu si nantu à u cambiamentu di a forma di a microstruttura di a superficia di u siliciu cù l'atmosfera di travagliu, chì sottu à a stimulazione di laser à femtosecondi d'alta intensità, ci hè una reazione chimica trà u gasu è a superficia di u siliciu cristallinu, chì permette à a superficia di u siliciu d'esse incisa da certi gasi, furmendu coni affilati. Eric Mazur et al. anu attribuitu i mecanismi fisichi è chimichi di a furmazione di a microstruttura di a superficia di u siliciu à: fusione è ablazione di u sustratu di siliciu causata da impulsi laser d'alta fluenza; incisione di u sustratu di siliciu da ioni reattivi è particelle generate da u forte campu laser; è ricristallizazione di a parte ablata di u siliciu di u sustratu.
E strutture coniche nantu à a superficia di u siliciu si formanu spontaneamente, è una matrice quasi regulare pò esse furmata senza maschera. MY Shen et al. anu attaccatu una maglia di rame di microscopiu elettronicu à trasmissione di 2 μm di spessore à a superficia di u siliciu cum'è maschera, è dopu anu irradiatu u wafer di siliciu in gas SF6 cù un laser à femtosecondi. Anu ottenutu una matrice di strutture coniche disposte assai regularmente nantu à a superficia di u siliciu, coerente cù u mudellu di a maschera (vede Figura 4). A dimensione di l'apertura di a maschera influenza significativamente a disposizione di e strutture coniche. A diffrazione di u laser incidente da l'aperture di a maschera provoca una distribuzione non uniforme di l'energia laser nantu à a superficia di u siliciu, risultendu in una distribuzione periodica di a temperatura nantu à a superficia di u siliciu. Questu forza infine a matrice di strutture di a superficia di u siliciu à diventà regulare.