חומר חדש ומהפכני - סיליקון שחור

חומר חדש ומהפכני - סיליקון שחור

סיליקון שחור הוא סוג חדש של חומר סיליקון בעל תכונות אופטואלקטרוניות מצוינות. מאמר זה מסכם את עבודת המחקר על סיליקון שחור על ידי אריק מזור וחוקרים אחרים בשנים האחרונות, ומפרט את מנגנון ההכנה וההיווצרות של סיליקון שחור, כמו גם את תכונותיו כגון בליעה, הארה, פליטת שדה ותגובה ספקטרלית. הוא גם מצביע על היישומים הפוטנציאליים החשובים של סיליקון שחור בגלאי אינפרא אדום, תאים סולאריים וצגים שטוחים.
סיליקון גבישי נמצא בשימוש נרחב בתעשיית המוליכים למחצה בשל יתרונותיו כגון קלות טיהור, קלות סימום ועמידות בטמפרטורה גבוהה. עם זאת, יש לו גם חסרונות רבים, כגון החזרה גבוהה של אור נראה ואינפרא אדום על פני השטח שלו. יתר על כן, בשל פער הפס הגדול שלו,סיליקון גבישיאינם יכולים לבלוע אור באורכי גל גדולים מ-1100 ננומטר. כאשר אורך הגל של האור הפוגע גדול מ-1100 ננומטר, קצב הבליעה וקצב התגובה של גלאי סיליקון מופחתים באופן משמעותי. יש להשתמש בחומרים אחרים כגון גרמניום ואינדיום גליום ארסניד כדי לזהות אורכי גל אלה. עם זאת, העלות הגבוהה, תכונות תרמודינמיות ואיכות גביש ירודות, וחוסר התאימות לתהליכי סיליקון בוגרים קיימים, מגבילים את יישומם במכשירים מבוססי סיליקון. לכן, הפחתת ההחזר של משטחי סיליקון גבישי והרחבת טווח אורכי הגל לגילוי של גלאי פוטו מבוססי סיליקון ותואמים לסיליקון נותרו נושא מחקר חם.

כדי להפחית את ההשתקפות של משטחי סיליקון גבישי, נעשה שימוש בשיטות וטכניקות ניסיוניות רבות, כגון פוטוליוגרפיה, איכול יונים ריאקטיביים ואיטום אלקטרוכימי. טכניקות אלו יכולות, במידה מסוימת, לשנות את המורפולוגיה של פני השטח וסמוך לפני השטח של סיליקון גבישי, ובכך להפחית...סִילִיקוֹן החזרת פני השטח. בתחום האור הנראה, הפחתת ההחזרה יכולה להגביר את הבליעה ולשפר את יעילות המכשיר. עם זאת, באורכי גל העולים על 1100 ננומטר, אם לא מוחדרות רמות אנרגיית בליעה לפער הפסים של הסיליקון, הפחתת ההחזרה מובילה רק להעברה מוגברת, מכיוון שפער הפסים של הסיליקון מגביל בסופו של דבר את בליעתו של אור בעל אורכי גל ארוכים. לכן, כדי להרחיב את טווח אורכי הגל הרגיש של התקנים מבוססי סיליקון ותואמים לסיליקון, יש צורך להגביר את בליעת הפוטונים בתוך פער הפסים ובמקביל להפחית את החזרת פני השטח של הסיליקון.

בסוף שנות ה-90, פרופסור אריק מזור ואחרים באוניברסיטת הרווארד השיגו חומר חדש - סיליקון שחור - במהלך מחקרם על האינטראקציה של לייזרי פמטו-שנייה עם חומר, כפי שמוצג באיור 1. בזמן שחקרו את התכונות הפוטואלקטריות של סיליקון שחור, אריק מזור ועמיתיו הופתעו לגלות שחומר סיליקון מיקרו-מובנה זה הוא בעל תכונות פוטואלקטריות ייחודיות. הוא סופג כמעט את כל האור בטווח הקרוב לאולטרה-סגול וקרוב לאינפרא אדום (0.25-2.5 מיקרומטר), ומציג מאפייני הארה מצוינים בנראה ובקרוב לאינפרא אדום ותכונות פליטת שדה טובות. תגלית זו עוררה סנסציה בתעשיית המוליכים למחצה, כאשר מגזינים גדולים התחרו לדווח עליה. בשנת 1999, מגזיני Scientific American ו-Discover, בשנת 2000 מדור המדע של Los Angeles Times, ובשנת 2001 מגזין New Scientist פרסמו כולם מאמרים ראשיים שדנו בגילוי הסיליקון השחור ויישומיו הפוטנציאליים, מתוך אמונה שיש לו ערך פוטנציאלי משמעותי בתחומים כמו חישה מרחוק, תקשורת אופטית ומיקרואלקטרוניקה.

נכון לעכשיו, ט. סאמט מצרפת, אנויפה מ. מולוני מאירלנד, ג'או לי מאוניברסיטת פודאן בסין, ומן היינינג מהאקדמיה הסינית למדעים, כולם ערכו מחקר מקיף על סיליקון שחור והשיגו תוצאות ראשוניות. חברת SiOnyx ממסצ'וסטס, ארה"ב, אף גייסה 11 מיליון דולר בהון סיכון כדי לשמש כפלטפורמת פיתוח טכנולוגי עבור חברות אחרות, והחלה בייצור מסחרי של פרוסות סיליקון שחור מבוססות חיישנים, ומתכוננת לשימוש במוצרים המוגמרים במערכות הדמיה אינפרא אדום מהדור הבא. סטיבן סיילור, מנכ"ל SiOnyx, הצהיר כי היתרונות של העלות הנמוכה והרגישות הגבוהה של טכנולוגיית סיליקון שחור ימשכו בהכרח את תשומת ליבן של חברות המתמקדות במחקר ובשווקי הדמיה רפואית. בעתיד, ייתכן שהיא אף תיכנס לשוק המצלמות הדיגיטליות ומצלמות הווידאו של מיליארדי דולרים. SiOnyx מתנסה כעת גם בתכונות הפוטו-וולטאיות של סיליקון שחור, וסביר מאוד ש...סיליקון שחורישמש בעתיד בתאים סולאריים. 1. תהליך היווצרות סיליקון שחור

1.1 תהליך ההכנה

פרוסות סיליקון חד-גבישיות מנוקות ברצף עם טריכלורואתילן, אצטון ומתנול, ולאחר מכן מונחות על פלטפורמת מטרה תלת-ממדית בתא ואקום. לחץ הבסיס של תא הוואקום נמוך מ-1.3 × 10⁻² Pa. גז העבודה יכול להיות SF₆, Cl₂, N₂, אוויר, H₂S, H₂, SiH₄ וכו', עם לחץ עבודה של 6.7 × 10⁴ Pa. לחלופין, ניתן להשתמש בסביבת ואקום, או שניתן לצפות אבקות אלמנטריות של S, Se או Te על פני הסיליקון בוואקום. ניתן גם לטבול את פלטת המטרה במים. פולסים של פמטו-שניות (800 ננומטר, 100 fs, 500 מיקרו-ג'אול, 1 קילו-הרץ) הנוצרים על ידי מגבר רגנרטיבי של לייזר Ti:sapphire ממוקדים על ידי עדשה ומוקרנים בניצב על פני הסיליקון (אנרגיית פלט הלייזר נשלטת על ידי מחליש, המורכב מלוח חצי-גל ​​ומקטב). על ידי הזזת שלב המטרה לסריקת פני הסיליקון עם נקודת הלייזר, ניתן להשיג חומר סיליקון שחור בעל שטח גדול. שינוי המרחק בין העדשה לפרוסת הסיליקון יכול להתאים את גודל נקודת האור המוקרן על פני הסיליקון, ובכך לשנות את שטף הלייזר; כאשר גודל הנקודה קבוע, שינוי מהירות התנועה של שלב המטרה יכול להתאים את מספר הפולסים המוקרן על שטח יחידה של פני הסיליקון. גז העבודה משפיע באופן משמעותי על צורת המיקרו-מבנה של פני הסיליקון. כאשר גז העבודה קבוע, שינוי שטף הלייזר ומספר הפולסים המתקבלים ליחידת שטח יכולים לשלוט בגובה, ביחס הממדים ובמרווח של המיקרו-מבנים.

1.2 מאפיינים מיקרוסקופיים

לאחר הקרנת לייזר פמטו-שנייה, משטח הסיליקון הגבישי החלק במקור מציג מערך של מבנים חרוטיים זעירים המסודרים באופן כמעט-סדי. ראשי החרוטים נמצאים באותו מישור כמו משטח הסיליקון הלא-מוקרן שמסביב. צורת המבנה החרוטי קשורה לגז העבודה, כפי שמוצג באיור 2, שבו המבנים החרוטיים המוצגים ב-(א), (ב) ו-(ג) נוצרים באטמוספרות SF₆, S ו-N₂, בהתאמה. עם זאת, כיוון ראשי החרוטים אינו תלוי בגז ותמיד מצביע לכיוון פגיעת הלייזר, אינו מושפע מכוח הכבידה, וגם אינו תלוי בסוג הסימום, בהתנגדות ובכיוון הגביש של הסיליקון הגבישי; בסיסי החרוטים אינם סימטריים, כאשר צירם הקצר מקביל לכיוון הקיטוב של הלייזר. המבנים החרוטיים הנוצרים באוויר הם המחוספסים ביותר, ומשטחיהם מכוסים בננו-מבנים דנדריטיים עדינים עוד יותר של 10-100 ננומטר.

ככל שעוצמת הלייזר גבוהה יותר וככל שמספר הפולסים גדול יותר, כך המבנים החרוטיים הופכים גבוהים ורחבים יותר. בגז SF6, לגובה h ולמרווח d של המבנים החרוטיים יש קשר לא ליניארי, שניתן לבטא אותו בקירוב כ- h∝dp, כאשר p=2.4±0.1; גם גובה h וגם המרווח d עולים משמעותית עם עליית עוצמת הלייזר. כאשר עוצמת הלייזר עולה מ-5 קילו-ג'אול/מ"ר ל-10 קילו-ג'אול/מ"ר, המרווח d גדל פי 3, ובשילוב עם הקשר בין h ל-d, הגובה h גדל פי 12.

לאחר חישול בטמפרטורה גבוהה (1200 קלווין, 3 שעות) בוואקום, המבנים החרוטיים שלסיליקון שחורלא השתנו באופן משמעותי, אך הננו-מבנים הדנדריטיים בגודל 10-100 ננומטר על פני השטח הופחתו במידה ניכרת. ספקטרוסקופיית תקיעול יונים הראתה כי אי-הסדר על פני השטח החרוטי ירד לאחר החישול, אך רוב המבנים המעוותים לא השתנו בתנאי חישול אלה.

1.3 מנגנון היווצרות

נכון לעכשיו, מנגנון היווצרות הסיליקון השחור אינו ברור. עם זאת, אריק מזור ועמיתיו שיערו, בהתבסס על השינוי בצורת המיקרו-מבנה של פני הסיליקון עם אטמוספירת העבודה, שתחת גירוי של לייזרים פמטו-שניים בעוצמה גבוהה, מתרחשת תגובה כימית בין הגז למשטח הסיליקון הגבישי, מה שמאפשר לחרוט את פני הסיליקון על ידי גזים מסוימים, ויוצר חרוטים חדים. אריק מזור ועמיתיו ייחסו את המנגנונים הפיזיקליים והכימיים של היווצרות המיקרו-מבנה של פני הסיליקון ל: התכה ואבלציה של מצע הסיליקון הנגרמת על ידי פולסי לייזר בעלי זריחה גבוהה; איכול של מצע הסיליקון על ידי יונים וחלקיקים ריאקטיביים הנוצרים על ידי שדה לייזר חזק; והתגבשות מחדש של החלק האבלטיבי של הסיליקון במצע.

המבנים החרוטיים על פני הסיליקון נוצרים באופן ספונטני, וניתן ליצור מערך קוואזי-סדיר ללא מסכה. MY Shen ועמיתיו חיברו רשת נחושת בעובי 2 מיקרון של מיקרוסקופ אלקטרונים חודר למשטח הסיליקון כמסכה, ולאחר מכן הקרינו את פרוסות הסיליקון בגז SF6 באמצעות לייזר פמטו-שנייה. הם השיגו מערך מסודר באופן קבוע מאוד של מבנים חרוטיים על פני הסיליקון, בהתאם לדוגמת המסכה (ראה איור 4). גודל הפתח של המסכה משפיע באופן משמעותי על סידור המבנים החרוטיים. העקיפה של הלייזר הפוגע על ידי פתחי המסכה גורמת לפיזור לא אחיד של אנרגיית לייזר על פני הסיליקון, וכתוצאה מכך פיזור טמפרטורה מחזורי על פני הסיליקון. זה בסופו של דבר מאלץ את מערך מבני פני הסיליקון להפוך לסדיר.