Devrim Niteliğinde Yeni Bir Malzeme – Siyah Silikon
Siyah silikon, mükemmel optoelektronik özelliklere sahip yeni bir silikon malzeme türüdür. Bu makale, Eric Mazur ve diğer araştırmacıların son yıllarda siyah silikon üzerine yaptığı araştırmaları özetlemekte, siyah silikonun hazırlanma ve oluşum mekanizmasının yanı sıra emilim, lüminesans, alan emisyonu ve spektral tepki gibi özelliklerini ayrıntılı olarak ele almaktadır. Ayrıca, siyah silikonun kızılötesi dedektörler, güneş pilleri ve düz panel ekranlardaki önemli potansiyel uygulamalarına da dikkat çekmektedir.
Kristal silikon, saflaştırma kolaylığı, katkılama kolaylığı ve yüksek sıcaklık direnci gibi avantajları nedeniyle yarı iletken endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, yüzeyinde görünür ve kızılötesi ışığın yüksek yansıtıcılığı gibi birçok dezavantajı da vardır. Ayrıca, geniş bant aralığı nedeniyle,kristal silikon1100 nm'den büyük dalga boylarına sahip ışığı ememez. Gelen ışığın dalga boyu 1100 nm'den büyük olduğunda, silikon dedektörlerin emilim ve tepki hızı büyük ölçüde azalır. Bu dalga boylarını algılamak için germanyum ve indiyum galyum arsenit gibi diğer malzemeler kullanılmalıdır. Bununla birlikte, yüksek maliyet, zayıf termodinamik özellikler ve kristal kalitesi ile mevcut olgun silikon süreçleriyle uyumsuzluk, silikon tabanlı cihazlarda uygulamalarını sınırlamaktadır. Bu nedenle, kristal silikon yüzeylerinin yansımasını azaltmak ve silikon tabanlı ve silikon uyumlu fotodedektörlerin algılama dalga boyu aralığını genişletmek, güncel bir araştırma konusu olmaya devam etmektedir.
Kristal silikon yüzeylerinin yansımasını azaltmak için fotolitografi, reaktif iyon aşındırma ve elektrokimyasal aşındırma gibi birçok deneysel yöntem ve teknik kullanılmıştır. Bu teknikler, bir dereceye kadar kristal silikonun yüzey ve yüzeye yakın morfolojisini değiştirebilir ve böylece yansımayı azaltabilir.silikon Yüzey yansıması. Görünür ışık aralığında, yansımayı azaltmak soğurmayı artırabilir ve cihaz verimliliğini iyileştirebilir. Bununla birlikte, 1100 nm'yi aşan dalga boylarında, silikon bant aralığına hiçbir soğurma enerji seviyesi eklenmezse, azaltılmış yansıma yalnızca iletimi artırır, çünkü silikonun bant aralığı nihayetinde uzun dalga boylu ışığın soğurulmasını sınırlar. Bu nedenle, silikon tabanlı ve silikon uyumlu cihazların hassas dalga boyu aralığını genişletmek için, silikon yüzey yansımasını aynı anda azaltırken bant aralığı içindeki foton soğurmasını artırmak gereklidir.
1990'ların sonlarında, Harvard Üniversitesi'nden Profesör Eric Mazur ve diğerleri, Şekil 1'de gösterildiği gibi, femtosaniye lazerlerin maddeyle etkileşimi üzerine yaptıkları araştırmalar sırasında yeni bir malzeme olan siyah silikonu elde ettiler. Siyah silikonun fotoelektrik özelliklerini incelerken, Eric Mazur ve meslektaşları, bu mikro yapılı silikon malzemenin benzersiz fotoelektrik özelliklere sahip olduğunu keşfetmekten şaşırdılar. Neredeyse tüm ışığı yakın ultraviyole ve yakın kızılötesi aralığında (0,25–2,5 μm) emen bu malzeme, mükemmel görünür ve yakın kızılötesi lüminesans özelliklerine ve iyi alan emisyon özelliklerine sahiptir. Bu keşif, yarı iletken endüstrisinde büyük yankı uyandırdı ve büyük dergiler bu konuda haber yapmak için yarıştı. 1999'da Scientific American ve Discover dergileri, 2000'de Los Angeles Times bilim bölümü ve 2001'de New Scientist dergisi, siyah silikonun keşfini ve potansiyel uygulamalarını tartışan makaleler yayınladı ve uzaktan algılama, optik iletişim ve mikroelektronik gibi alanlarda önemli bir potansiyel değere sahip olduğuna inandılar.
Şu anda Fransa'dan T. Samet, İrlanda'dan Anoife M. Moloney, Çin'deki Fudan Üniversitesi'nden Zhao Li ve Çin Bilimler Akademisi'nden Men Haining, siyah silikon üzerine kapsamlı araştırmalar yürütmüş ve ön sonuçlar elde etmişlerdir. ABD'nin Massachusetts eyaletinde bulunan SiOnyx şirketi, diğer şirketler için bir teknoloji geliştirme platformu olarak hizmet vermek üzere 11 milyon dolarlık girişim sermayesi toplamış ve sensör tabanlı siyah silikon levhaların ticari üretimine başlamış, nihai ürünleri yeni nesil kızılötesi görüntüleme sistemlerinde kullanmaya hazırlanmaktadır. SiOnyx CEO'su Stephen Saylor, siyah silikon teknolojisinin düşük maliyet ve yüksek hassasiyet avantajlarının, araştırma ve tıbbi görüntüleme pazarlarına odaklanan şirketlerin dikkatini kaçınılmaz olarak çekeceğini belirtmiştir. Gelecekte, milyarlarca dolarlık dijital kamera ve video kamera pazarına bile girebilir. SiOnyx ayrıca şu anda siyah silikonun fotovoltaik özellikleriyle ilgili deneyler yapmaktadır ve bu alanda da önemli sonuçlar elde edilmesi oldukça muhtemeldir.siyah silikonGelecekte güneş pillerinde kullanılacak. 1. Siyah Silikonun Oluşum Süreci
1.1 Hazırlık Süreci
Tek kristalli silikon levhalar sırasıyla trikloroetilen, aseton ve metanol ile temizlenir ve daha sonra vakum odasında üç boyutlu olarak hareket ettirilebilen bir hedef tablasına yerleştirilir. Vakum odasının taban basıncı 1,3 × 10⁻² Pa'dan azdır. Çalışma gazı SF₆, Cl₂, N₂, hava, H₂S, H₂, SiH₄ vb. olabilir ve çalışma basıncı 6,7 × 10⁴ Pa'dır. Alternatif olarak, vakum ortamı kullanılabilir veya vakumda silikon yüzeyine S, Se veya Te element tozları kaplanabilir. Hedef tablası ayrıca suya daldırılabilir. Ti:safir lazer rejeneratif yükseltici tarafından üretilen femtosaniye darbeler (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz), bir mercek tarafından odaklanarak silikon yüzeyine dik olarak ışınlanır (lazer çıkış enerjisi, yarım dalga plakası ve polarizörden oluşan bir zayıflatıcı tarafından kontrol edilir). Hedef tablası hareket ettirilerek lazer noktası silikon yüzeyinde taranarak geniş alanlı siyah silikon malzeme elde edilebilir. Mercek ile silikon levha arasındaki mesafenin değiştirilmesi, silikon yüzeyine ışınlanan ışık noktasının boyutunu ayarlayarak lazer akışını değiştirebilir; nokta boyutu sabit olduğunda, hedef tablasının hareket hızının değiştirilmesi, silikon yüzeyinin birim alanına ışınlanan darbe sayısını ayarlayabilir. Çalışma gazı, silikon yüzey mikro yapısının şeklini önemli ölçüde etkiler. Çalışma gazı sabit olduğunda, lazer akışının ve birim alan başına alınan darbe sayısının değiştirilmesi, mikro yapıların yüksekliğini, en boy oranını ve aralığını kontrol edebilir.
1.2 Mikroskobik Özellikler
Femtosaniye lazer ışınlamasından sonra, başlangıçta pürüzsüz olan kristal silikon yüzey, yarı düzenli bir şekilde sıralanmış küçük konik yapılar dizisi sergiler. Konilerin tepeleri, çevredeki ışınlanmamış silikon yüzeyle aynı düzlemdedir. Konik yapının şekli, Şekil 2'de gösterildiği gibi, çalışma gazıyla ilişkilidir; burada (a), (b) ve (c)'de gösterilen konik yapılar sırasıyla SF₆, S ve N₂ atmosferlerinde oluşmuştur. Bununla birlikte, koni tepelerinin yönü gazdan bağımsızdır ve her zaman lazer ışınının geliş yönüne işaret eder, yerçekiminden etkilenmez ve ayrıca kristal silikonun katkılama türünden, özdirencinden ve kristal yöneliminden bağımsızdır; koni tabanları asimetriktir ve kısa eksenleri lazer polarizasyon yönüne paraleldir. Havada oluşan konik yapılar en pürüzlüdür ve yüzeyleri 10-100 nm'lik daha ince dendritik nanoyapılarla kaplıdır.
Lazer akısı ne kadar yüksek ve darbe sayısı ne kadar fazla olursa, konik yapılar o kadar uzun ve geniş olur. SF6 gazında, konik yapıların yüksekliği h ve aralığı d arasında doğrusal olmayan bir ilişki vardır ve bu ilişki yaklaşık olarak h∝dp şeklinde ifade edilebilir; burada p=2,4±0,1'dir; hem yükseklik h hem de aralık d, artan lazer akısıyla önemli ölçüde artar. Akı 5 kJ/m²'den 10 kJ/m²'ye çıktığında, aralık d 3 kat artar ve h ile d arasındaki ilişkiyle birlikte yükseklik h 12 kat artar.
Vakum ortamında yüksek sıcaklıkta tavlama işleminden (1200 K, 3 saat) sonra, konik yapılar elde edildi.siyah silikonÖnemli bir değişiklik olmadı, ancak yüzeydeki 10-100 nm'lik dendritik nanoyapılar büyük ölçüde azaldı. İyon kanallama spektroskopisi, konik yüzeydeki düzensizliğin tavlama işleminden sonra azaldığını gösterdi, ancak düzensiz yapıların çoğu bu tavlama koşulları altında değişmedi.
1.3 Oluşum Mekanizması
Şu anda siyah silikonun oluşum mekanizması net değildir. Bununla birlikte, Eric Mazur ve arkadaşları, çalışma ortamına bağlı olarak silikon yüzey mikroyapısının şeklindeki değişime dayanarak, yüksek yoğunluklu femtosaniye lazerlerin uyarımı altında, gaz ile kristal silikon yüzeyi arasında kimyasal bir reaksiyon meydana geldiğini ve silikon yüzeyinin belirli gazlar tarafından aşındırılarak keskin koniler oluşturduğunu öne sürmüşlerdir. Eric Mazur ve arkadaşları, silikon yüzey mikroyapısının oluşumunun fiziksel ve kimyasal mekanizmalarını şu şekilde açıklamışlardır: yüksek akılı lazer darbelerinin neden olduğu silikon alt tabakanın erimesi ve aşınması; güçlü lazer alanı tarafından üretilen reaktif iyonlar ve parçacıklar tarafından silikon alt tabakanın aşındırılması; ve alt tabaka silikonunun aşındırılan kısmının yeniden kristalleşmesi.
Silikon yüzeyindeki konik yapılar kendiliğinden oluşur ve maske kullanılmadan yarı düzenli bir dizi oluşturulabilir. MY Shen ve arkadaşları, silikon yüzeyine maske olarak 2 μm kalınlığında bir transmisyon elektron mikroskobu bakır ağı yapıştırdılar ve ardından silikon levhayı SF6 gazı içinde femtosaniye lazerle ışınladılar. Silikon yüzeyinde, maske deseniyle tutarlı, çok düzenli bir şekilde sıralanmış konik yapılar elde ettiler (Şekil 4'e bakınız). Maskenin açıklık boyutu, konik yapıların düzenini önemli ölçüde etkiler. Gelen lazerin maske açıklıklarından kırınımı, silikon yüzeyinde lazer enerjisinin düzensiz bir dağılımına neden olarak, silikon yüzeyinde periyodik bir sıcaklık dağılımına yol açar. Bu da nihayetinde silikon yüzey yapısı dizisinin düzenli hale gelmesini sağlar.