एक क्रान्तिकारी नयाँ सामग्री - कालो सिलिकन
कालो सिलिकन उत्कृष्ट अप्टोइलेक्ट्रोनिक गुणहरू भएको नयाँ प्रकारको सिलिकन सामग्री हो। यस लेखले हालैका वर्षहरूमा एरिक माजुर र अन्य अनुसन्धानकर्ताहरूले कालो सिलिकनमा गरेको अनुसन्धान कार्यको सारांश प्रस्तुत गर्दछ, कालो सिलिकनको तयारी र गठन संयन्त्र, साथै यसको अवशोषण, ल्युमिनेसेन्स, क्षेत्र उत्सर्जन, र वर्णक्रमीय प्रतिक्रिया जस्ता गुणहरूको विवरण दिन्छ। यसले इन्फ्रारेड डिटेक्टरहरू, सौर्य कोषहरू, र फ्ल्याट-प्यानल डिस्प्लेहरूमा कालो सिलिकनको महत्त्वपूर्ण सम्भावित अनुप्रयोगहरूलाई पनि औंल्याउँछ।
शुद्धीकरणमा सहजता, डोपिङमा सहजता, र उच्च-तापमान प्रतिरोध जस्ता फाइदाहरूका कारण अर्धचालक उद्योगमा क्रिस्टलीय सिलिकन व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। यद्यपि, यसको सतहमा देखिने र इन्फ्रारेड प्रकाशको उच्च परावर्तनशीलता जस्ता धेरै बेफाइदाहरू पनि छन्। यसबाहेक, यसको ठूलो ब्यान्ड ग्यापको कारणले गर्दा,क्रिस्टलीय सिलिकन११०० एनएम भन्दा बढी तरंगदैर्ध्य भएको प्रकाशलाई अवशोषित गर्न सक्दैन। जब घटना प्रकाशको तरंगदैर्ध्य ११०० एनएम भन्दा बढी हुन्छ, सिलिकन डिटेक्टरहरूको अवशोषण र प्रतिक्रिया दर धेरै कम हुन्छ। यी तरंगदैर्ध्यहरू पत्ता लगाउन जर्मेनियम र इन्डियम ग्यालियम आर्सेनाइड जस्ता अन्य सामग्रीहरू प्रयोग गर्नुपर्छ। यद्यपि, उच्च लागत, कमजोर थर्मोडायनामिक गुणहरू र क्रिस्टल गुणस्तर, र अवस्थित परिपक्व सिलिकन प्रक्रियाहरूसँग असंगतताले सिलिकन-आधारित उपकरणहरूमा तिनीहरूको प्रयोगलाई सीमित गर्दछ। त्यसकारण, क्रिस्टलीय सिलिकन सतहहरूको परावर्तन घटाउने र सिलिकन-आधारित र सिलिकन-कम्प्याटिबल फोटोडिटेक्टरहरूको पत्ता लगाउने तरंगदैर्ध्य दायरा विस्तार गर्ने तातो अनुसन्धान विषय बनेको छ।
क्रिस्टलीय सिलिकन सतहहरूको परावर्तन कम गर्न, धेरै प्रयोगात्मक विधिहरू र प्रविधिहरू प्रयोग गरिएको छ, जस्तै फोटोलिथोग्राफी, प्रतिक्रियाशील आयन इचिंग, र इलेक्ट्रोकेमिकल इचिंग। यी प्रविधिहरूले, केही हदसम्म, क्रिस्टलीय सिलिकनको सतह र नजिक-सतह आकारविज्ञान परिवर्तन गर्न सक्छन्, यसरी कम गर्न सक्छन्।सिलिकन सतह परावर्तन। दृश्य प्रकाश दायरामा, परावर्तन घटाउनाले अवशोषण बढाउन र उपकरणको दक्षता सुधार गर्न सक्छ। यद्यपि, ११०० एनएम भन्दा बढी तरंगदैर्ध्यमा, यदि सिलिकन ब्यान्ड ग्यापमा कुनै अवशोषण ऊर्जा स्तरहरू परिचय गरिएन भने, कम परावर्तनले प्रसारण बढाउँछ, किनभने सिलिकनको ब्यान्ड ग्यापले अन्ततः लामो-तरंगदैर्ध्य प्रकाशको अवशोषणलाई सीमित गर्दछ। त्यसकारण, सिलिकन-आधारित र सिलिकन-अनुकूल उपकरणहरूको संवेदनशील तरंगदैर्ध्य दायरा विस्तार गर्न, सिलिकन सतह परावर्तन घटाउँदै ब्यान्ड ग्याप भित्र फोटोन अवशोषण बढाउन आवश्यक छ।
१९९० को दशकको अन्त्यतिर, हार्वर्ड विश्वविद्यालयका प्रोफेसर एरिक माजुर र अन्यले चित्र १ मा देखाइए अनुसार, पदार्थसँग फेमटोसेकेन्ड लेजरहरूको अन्तरक्रियामा अनुसन्धानको क्रममा एउटा नयाँ सामग्री - कालो सिलिकन - प्राप्त गरे। कालो सिलिकनको फोटोइलेक्ट्रिक गुणहरूको अध्ययन गर्दा, एरिक माजुर र उनका सहकर्मीहरू यो सूक्ष्म संरचित सिलिकन सामग्रीमा अद्वितीय फोटोइलेक्ट्रिक गुणहरू छन् भनेर पत्ता लगाएर छक्क परे। यसले लगभग सबै प्रकाशलाई नजिक-अल्ट्राभायोलेट र नजिक-इन्फ्रारेड दायरा (०.२५-२.५ μm) मा अवशोषित गर्दछ, उत्कृष्ट दृश्यमान र नजिक-इन्फ्रारेड ल्युमिनेसेन्स विशेषताहरू र राम्रो क्षेत्र उत्सर्जन गुणहरू प्रदर्शन गर्दछ। यो खोजले अर्धचालक उद्योगमा सनसनी मच्चायो, प्रमुख पत्रिकाहरूले यसको बारेमा रिपोर्ट गर्न प्रतिस्पर्धा गरे। १९९९ मा, साइन्टिफिक अमेरिकन र डिस्कभर पत्रिकाहरू, २००० मा लस एन्जलस टाइम्स विज्ञान खण्ड, र २००१ मा नयाँ वैज्ञानिक पत्रिकाले कालो सिलिकनको खोज र यसको सम्भावित अनुप्रयोगहरूको बारेमा छलफल गर्ने फिचर लेखहरू प्रकाशित गरे, रिमोट सेन्सिङ, अप्टिकल कम्युनिकेसन र माइक्रोइलेक्ट्रोनिक्स जस्ता क्षेत्रहरूमा यसको महत्त्वपूर्ण सम्भावित मूल्य रहेको विश्वास गर्दै।
हाल, फ्रान्सका टी. सामेट, आयरल्याण्डका एनोइफ एम. मोलोनी, चीनको फुदान विश्वविद्यालयका झाओ ली र चिनियाँ विज्ञान प्रतिष्ठानका मेन हेनिङले कालो सिलिकनमा व्यापक अनुसन्धान गरेका छन् र प्रारम्भिक नतिजाहरू प्राप्त गरेका छन्। संयुक्त राज्य अमेरिकाको म्यासाचुसेट्समा रहेको कम्पनी सिओनिक्सले अन्य कम्पनीहरूको लागि प्रविधि विकास प्लेटफर्मको रूपमा सेवा गर्न $११ मिलियन उद्यम पूँजी पनि उठाएको छ, र सेन्सर-आधारित कालो सिलिकन वेफरहरूको व्यावसायिक उत्पादन सुरु गरेको छ, अर्को पुस्ताको इन्फ्रारेड इमेजिङ प्रणालीहरूमा तयार उत्पादनहरू प्रयोग गर्ने तयारी गर्दै। सिओनिक्सका सीईओ स्टीफन सायलरले भने कि कालो सिलिकन प्रविधिको कम लागत र उच्च संवेदनशीलता फाइदाहरूले अनुसन्धान र चिकित्सा इमेजिङ बजारहरूमा केन्द्रित कम्पनीहरूको ध्यान अनिवार्य रूपमा आकर्षित गर्नेछ। भविष्यमा, यो बहु-अरब डलरको डिजिटल क्यामेरा र क्यामकोर्डर बजारमा पनि प्रवेश गर्न सक्छ। सिओनिक्सले हाल कालो सिलिकनको फोटोभोल्टिक गुणहरूसँग पनि प्रयोग गरिरहेको छ, र यो धेरै सम्भावना छ किकालो सिलिकनभविष्यमा सौर्य कोषहरूमा प्रयोग गरिनेछ। १. कालो सिलिकनको गठन प्रक्रिया
१.१ तयारी प्रक्रिया
एकल-क्रिस्टल सिलिकन वेफरहरूलाई ट्राइक्लोरोइथिलिन, एसीटोन र मेथानोलले क्रमशः सफा गरिन्छ, र त्यसपछि भ्याकुम चेम्बरमा त्रि-आयामिक रूपमा चल लक्ष्य चरणमा राखिन्छ। भ्याकुम चेम्बरको आधार चाप १.३ × १०⁻² Pa भन्दा कम हुन्छ। काम गर्ने ग्यास SF₆, Cl₂, N₂, हावा, H₂S, H₂, SiH₄, आदि हुन सक्छ, जसको काम गर्ने चाप ६.७ × १०⁴ Pa हुन्छ। वैकल्पिक रूपमा, भ्याकुम वातावरण प्रयोग गर्न सकिन्छ, वा S, Se, वा Te को एलिमेन्टल पाउडरहरू भ्याकुममा सिलिकन सतहमा लेपित गर्न सकिन्छ। लक्ष्य चरणलाई पानीमा पनि डुबाउन सकिन्छ। Ti:sapphire लेजर पुनर्जन्म एम्पलीफायर द्वारा उत्पन्न Femtosecond पल्स (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) लेन्स द्वारा केन्द्रित गरिन्छ र सिलिकन सतहमा लम्बवत रूपमा विकिरणित हुन्छ (लेजर आउटपुट ऊर्जा एक एटेन्युएटर द्वारा नियन्त्रित हुन्छ, जसमा आधा-तरंग प्लेट र एक ध्रुवीकरणकर्ता हुन्छ)। लेजर स्पटको साथ सिलिकन सतह स्क्यान गर्न लक्ष्य चरण सारेर, ठूलो-क्षेत्र कालो सिलिकन सामग्री प्राप्त गर्न सकिन्छ। लेन्स र सिलिकन वेफर बीचको दूरी परिवर्तन गर्नाले सिलिकन सतहमा विकिरणित प्रकाश स्थानको आकार समायोजन गर्न सकिन्छ, जसले गर्दा लेजर प्रवाह परिवर्तन हुन्छ; जब स्पट आकार स्थिर हुन्छ, लक्ष्य चरणको गति परिवर्तन गर्नाले सिलिकन सतहको एकाइ क्षेत्रमा विकिरणित पल्सहरूको संख्या समायोजन गर्न सकिन्छ। काम गर्ने ग्यासले सिलिकन सतह माइक्रोस्ट्रक्चरको आकारलाई उल्लेखनीय रूपमा असर गर्छ। जब काम गर्ने ग्यास स्थिर हुन्छ, लेजर प्रवाह र प्रति एकाइ क्षेत्रमा प्राप्त पल्सहरूको संख्या परिवर्तन गर्नाले माइक्रोस्ट्रक्चरहरूको उचाइ, पक्ष अनुपात र स्पेसिङ नियन्त्रण गर्न सक्छ।
१.२ सूक्ष्म विशेषताहरू
फेमटोसेकेन्ड लेजर विकिरण पछि, मूल रूपमा चिल्लो क्रिस्टलीय सिलिकन सतहले अर्ध-नियमित रूपमा व्यवस्थित साना शंक्वाकार संरचनाहरूको एरे प्रदर्शन गर्दछ। शंक्वाकार माथिल्लो भाग वरपरको अविकिरणित सिलिकन सतह जस्तै समतलमा छन्। शंक्वाकार संरचनाको आकार काम गर्ने ग्याससँग सम्बन्धित छ, जस्तै चित्र २ मा देखाइएको छ, जहाँ (a), (b), र (c) मा देखाइएका शंक्वाकार संरचनाहरू क्रमशः SF₆, S, र N₂ वायुमण्डलमा बनेका छन्। यद्यपि, शंक्वाकार माथिल्लो भागको दिशा ग्यासबाट स्वतन्त्र हुन्छ र सधैं लेजर घटनाको दिशामा निर्देशित हुन्छ, गुरुत्वाकर्षणबाट प्रभावित हुँदैन, र क्रिस्टलीय सिलिकनको डोपिङ प्रकार, प्रतिरोधकता र क्रिस्टलीय अभिमुखीकरणबाट पनि स्वतन्त्र हुन्छ; शंक्वाकार आधारहरू असममित हुन्छन्, तिनीहरूको छोटो अक्ष लेजर ध्रुवीकरण दिशासँग समानान्तर हुन्छ। हावामा बनेका शंक्वाकार संरचनाहरू सबैभन्दा खस्रो हुन्छन्, र तिनीहरूको सतहहरू १०-१०० एनएमको अझ राम्रो डेन्ड्राइटिक न्यानोस्ट्रक्चरहरूले ढाकिएका हुन्छन्।
लेजर फ्लुएन्स जति उच्च हुन्छ र पल्सको संख्या जति बढी हुन्छ, कोनिकल संरचनाहरू त्यति नै अग्लो र चौडा हुन्छन्। SF6 ग्यासमा, कोनिकल संरचनाहरूको उचाइ h र स्पेसिङ d मा गैर-रेखीय सम्बन्ध हुन्छ, जुन लगभग h∝dp को रूपमा व्यक्त गर्न सकिन्छ, जहाँ p=2.4±0.1; लेजर फ्लुएन्स बढ्दै जाँदा उचाइ h र स्पेसिङ d दुवै उल्लेखनीय रूपमा बढ्छन्। जब फ्लुएन्स ५ kJ/m² बाट १० kJ/m² सम्म बढ्छ, स्पेसिङ d ३ गुणाले बढ्छ, र h र d बीचको सम्बन्धसँग मिलाएर, उचाइ h १२ गुणाले बढ्छ।
भ्याकुममा उच्च-तापमान एनिलिङ (१२०० के, ३ घन्टा) पछि, को शंक्वाकार संरचनाहरूकालो सिलिकनउल्लेखनीय रूपमा परिवर्तन भएन, तर सतहमा १०-१०० एनएम डेन्ड्रिटिक न्यानोस्ट्रक्चरहरू धेरै कम भए। आयन च्यानलिङ स्पेक्ट्रोस्कोपीले एनिलिङ पछि कोनिकल सतहमा विकार घटेको देखाएको छ, तर धेरैजसो अव्यवस्थित संरचनाहरू यी एनिलिङ अवस्थाहरूमा परिवर्तन भएनन्।
१.३ गठन संयन्त्र
हाल, कालो सिलिकनको गठन संयन्त्र स्पष्ट छैन। यद्यपि, एरिक माजुर एट अलले सिलिकन सतहको माइक्रोस्ट्रक्चरको काम गर्ने वातावरणसँगको आकारमा भएको परिवर्तनको आधारमा अनुमान लगाए कि उच्च-तीव्रता फेमटोसेकेन्ड लेजरहरूको उत्तेजना अन्तर्गत, ग्यास र क्रिस्टलीय सिलिकन सतह बीच रासायनिक प्रतिक्रिया हुन्छ, जसले सिलिकन सतहलाई निश्चित ग्यासहरूद्वारा नक्काशी गर्न अनुमति दिन्छ, जसले तीखो शंकुहरू बनाउँछ। एरिक माजुर एट अलले सिलिकन सतहको माइक्रोस्ट्रक्चर गठनको भौतिक र रासायनिक संयन्त्रहरूलाई श्रेय दिए: उच्च-प्रवाह लेजर पल्सको कारणले गर्दा सिलिकन सब्सट्रेटको पग्लने र पृथकीकरण; बलियो लेजर क्षेत्र द्वारा उत्पन्न प्रतिक्रियाशील आयनहरू र कणहरू द्वारा सिलिकन सब्सट्रेटको नक्काशी; र सब्सट्रेट सिलिकनको एब्लेटेड भागको पुन: क्रिस्टलाइजेशन।
सिलिकन सतहमा शंक्वाकार संरचनाहरू स्वतः बन्छन्, र मास्क बिना अर्ध-नियमित एरे बनाउन सकिन्छ। MY Shen et al. ले सिलिकन सतहमा २ μm बाक्लो ट्रान्समिशन इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोप तामाको जाललाई मास्कको रूपमा जोडे, र त्यसपछि फेमटोसेकेन्ड लेजरको साथ SF6 ग्यासमा सिलिकन वेफरलाई विकिरणित गरे। तिनीहरूले सिलिकन सतहमा शंक्वाकार संरचनाहरूको धेरै नियमित रूपमा व्यवस्थित एरे प्राप्त गरे, मास्क ढाँचासँग मिल्दोजुल्दो (चित्र ४ हेर्नुहोस्)। मास्कको एपर्चर आकारले शंक्वाकार संरचनाहरूको व्यवस्थालाई महत्त्वपूर्ण रूपमा असर गर्छ। मास्क एपर्चरहरूद्वारा घटना लेजरको विवर्तनले सिलिकन सतहमा लेजर ऊर्जाको गैर-समान वितरण निम्त्याउँछ, जसको परिणामस्वरूप सिलिकन सतहमा आवधिक तापमान वितरण हुन्छ। यसले अन्ततः सिलिकन सतह संरचना एरेलाई नियमित बन्न बाध्य पार्छ।