Հեղափոխական նոր նյութ՝ սև սիլիկոն

Հեղափոխական նոր նյութ՝ սև սիլիկոն

Սև սիլիցիումը սիլիցիումային նյութի նոր տեսակ է՝ գերազանց օպտոէլեկտրոնային հատկություններով: Այս հոդվածը ամփոփում է Էրիկ Մազուրի և այլ հետազոտողների կողմից սև սիլիցիումի վերաբերյալ վերջին տարիներին կատարված հետազոտական ​​աշխատանքները՝ մանրամասն նկարագրելով սև սիլիցիումի պատրաստման և ձևավորման մեխանիզմը, ինչպես նաև դրա այնպիսի հատկություններ, ինչպիսիք են կլանումը, լուսարձակումը, դաշտի ճառագայթումը և սպեկտրալ արձագանքը: Այն նաև մատնանշում է սև սիլիցիումի կարևոր պոտենցիալ կիրառությունները ինֆրակարմիր դետեկտորներում, արևային մարտկոցներում և հարթ վահանակային էկրաններում:
Բյուրեղային սիլիցիումը լայնորեն կիրառվում է կիսահաղորդչային արդյունաբերության մեջ՝ իր առավելությունների շնորհիվ, ինչպիսիք են մաքրման հեշտությունը, դոպինգի հեշտությունը և բարձր ջերմաստիճանային դիմադրությունը: Այնուամենայնիվ, այն ունի նաև բազմաթիվ թերություններ, ինչպիսիք են տեսանելի և ինֆրակարմիր լույսի բարձր անդրադարձունակությունը իր մակերեսին: Ավելին, իր մեծ արգելակային գոտու շնորհիվ՝բյուրեղային սիլիցիումչեն կարող կլանել 1100 նմ-ից մեծ ալիքի երկարությամբ լույսը: Երբ ընկնող լույսի ալիքի երկարությունը մեծ է 1100 նմ-ից, սիլիցիումային դետեկտորների կլանումը և արձագանքման արագությունը զգալիորեն նվազում են: Այս ալիքի երկարությունները հայտնաբերելու համար պետք է օգտագործվեն այլ նյութեր, ինչպիսիք են գերմանիումը և ինդիում-գալիում-արսենիդը: Այնուամենայնիվ, բարձր գինը, վատ թերմոդինամիկ հատկությունները և բյուրեղների որակը, ինչպես նաև առկա հասուն սիլիցիումային պրոցեսների հետ անհամատեղելիությունը սահմանափակում են դրանց կիրառումը սիլիցիումային հիմքով սարքերում: Հետևաբար, բյուրեղային սիլիցիումային մակերեսների անդրադարձման նվազեցումը և սիլիցիումային հիմքով և սիլիցիում-համատեղելի լուսադետեկտորների հայտնաբերման ալիքի երկարության տիրույթի ընդլայնումը մնում է թեժ հետազոտական ​​թեմա:

Բյուրեղային սիլիցիումի մակերևույթների անդրադարձումը նվազեցնելու համար կիրառվել են բազմաթիվ փորձարարական մեթոդներ և տեխնիկաներ, ինչպիսիք են ֆոտոլիտոգրաֆիան, ռեակտիվ իոնային փորագրությունը և էլեկտրաքիմիական փորագրությունը: Այս տեխնիկաները կարող են որոշ չափով փոխել բյուրեղային սիլիցիումի մակերևույթային և մակերեսամերձ ձևաբանությունը, այդպիսով նվազեցնելովսիլիցիում Մակերեսային անդրադարձում։ Տեսանելի լույսի տիրույթում անդրադարձման նվազումը կարող է մեծացնել կլանումը և բարելավել սարքի արդյունավետությունը։ Սակայն, 1100 նմ-ից բարձր ալիքի երկարությունների դեպքում, եթե սիլիցիումի արգելակման գոտու մեջ կլանման էներգիայի մակարդակներ չեն ներմուծվում, անդրադարձման նվազումը հանգեցնում է միայն թափանցելիության աճի, քանի որ սիլիցիումի արգելակումը, ի վերջո, սահմանափակում է երկար ալիքի երկարությամբ լույսի կլանումը։ Հետևաբար, սիլիցիումի վրա հիմնված և սիլիցիումի հետ համատեղելի սարքերի զգայուն ալիքի երկարության տիրույթը ընդլայնելու համար անհրաժեշտ է մեծացնել ֆոտոնների կլանումը արգելակման գոտու ներսում՝ միաժամանակ նվազեցնելով սիլիցիումի մակերևույթի անդրադարձումը։

1990-ականների վերջին, պրոֆեսոր Էրիկ Մազուրը և Հարվարդի համալսարանի այլ աշխատակիցներ ֆեմտովայրկյանային լազերների նյութի հետ փոխազդեցության վերաբերյալ իրենց հետազոտության ընթացքում ստացան նոր նյութ՝ սև սիլիցիում, ինչպես ցույց է տրված նկար 1-ում: Սև սիլիցիումի ֆոտոէլեկտրական հատկություններն ուսումնասիրելիս Էրիկ Մազուրը և նրա գործընկերները զարմացան՝ հայտնաբերելով, որ այս միկրոկառուցվածքային սիլիցիումային նյութն ունի եզակի ֆոտոէլեկտրական հատկություններ: Այն կլանում է գրեթե ամբողջ լույսը մոտ-ուլտրամանուշակագույն և մոտ-ինֆրակարմիր տիրույթում (0.25–2.5 մկմ), ցուցաբերելով գերազանց տեսանելի և մոտ-ինֆրակարմիր լուսարձակման բնութագրեր և լավ դաշտային ճառագայթման հատկություններ: Այս հայտնագործությունը սենսացիա առաջացրեց կիսահաղորդչային արդյունաբերության մեջ, և խոշոր ամսագրերը մրցում էին դրա մասին լուսաբանելու համար: 1999 թվականին Scientific American և Discover ամսագրերը, 2000 թվականին Los Angeles Times գիտական ​​բաժինը և 2001 թվականին New Scientist ամսագիրը հրապարակեցին հոդվածներ, որոնցում քննարկվում էր սև սիլիցիումի հայտնաբերումը և դրա հնարավոր կիրառությունները՝ հավատալով, որ այն զգալի պոտենցիալ արժեք ունի այնպիսի ոլորտներում, ինչպիսիք են հեռազննումը, օպտիկական հաղորդակցությունը և միկրոէլեկտրոնիկան:

Ներկայումս Ֆրանսիայից Թ. Սամեթը, Իռլանդիայից Անոիֆե Մ. Մոլոնին, Չինաստանի Ֆուդանի համալսարանից Չժաո Լին և Չինաստանի գիտությունների ակադեմիայից Մեն Հայնինգը լայնածավալ հետազոտություններ են անցկացրել սև սիլիցիումի վերաբերյալ և ստացել նախնական արդյունքներ: ԱՄՆ Մասաչուսեթս նահանգի SiOnyx ընկերությունը նույնիսկ 11 միլիոն դոլարի ներդրումային կապիտալ է ներգրավել՝ այլ ընկերությունների համար տեխնոլոգիական զարգացման հարթակ ծառայելու համար, և սկսել է սենսորային սև սիլիցիումի վաֆլերի առևտրային արտադրությունը՝ պատրաստվելով օգտագործել պատրաստի արտադրանքը հաջորդ սերնդի ինֆրակարմիր պատկերման համակարգերում: SiOnyx-ի գործադիր տնօրեն Սթիվեն Սեյլորը նշել է, որ սև սիլիցիումի տեխնոլոգիայի ցածր գինը և բարձր զգայունության առավելությունները անխուսափելիորեն կգրավեն հետազոտությունների և բժշկական պատկերման շուկաներում կենտրոնացած ընկերությունների ուշադրությունը: Ապագայում այն ​​կարող է նույնիսկ մուտք գործել միլիարդավոր դոլարների թվային տեսախցիկների և տեսախցիկների շուկա: SiOnyx-ը նաև ներկայումս փորձարկումներ է անում սև սիլիցիումի ֆոտովոլտային հատկությունների վերաբերյալ, և շատ հավանական է, որ...սև սիլիցիումապագայում կօգտագործվի արեգակնային մարտկոցներում։ 1. Սև սիլիցիումի ձևավորման գործընթացը

1.1 Պատրաստման գործընթաց

Միաբյուրեղային սիլիցիումային վաֆլիները հաջորդաբար մաքրվում են տրիքլորէթիլենով, ացետոնով և մեթանոլով, ապա տեղադրվում են եռաչափ շարժական թիրախային բեմի վրա վակուումային խցիկում: Վակուումային խցիկի հիմքային ճնշումը պակաս է 1.3 × 10⁻² Պա-ից: Աշխատանքային գազը կարող է լինել SF₆, Cl₂, N₂, օդ, H₂S, H₂, SiH₄ և այլն՝ 6.7 × 10⁴ Պա աշխատանքային ճնշմամբ: Այլընտրանքորեն, կարող է օգտագործվել վակուումային միջավայր, կամ S, Se կամ Te տարրական փոշիները կարող են պատվել սիլիցիումի մակերեսին վակուումում: Նպատակային բեմը կարող է նաև ընկղմվել ջրի մեջ: Ti:սափիր լազերային վերականգնողական ուժեղացուցիչի կողմից առաջացած ֆեմտովայրկյանային իմպուլսները (800 նմ, 100 ֆվրկ, 500 մկՋ, 1 կՀց) կենտրոնանում են ոսպնյակի կողմից և ճառագայթվում ուղղահայաց սիլիցիումի մակերեսին (լազերի ելքային էներգիան կառավարվում է մարողով, որը բաղկացած է կիսաալիքային թիթեղից և բևեռացնողից): Լազերային կետով սիլիցիումի մակերեսը սկանավորելու համար թիրախային փուլը տեղաշարժելով կարելի է ստանալ մեծ մակերեսով սև սիլիցիումային նյութ: Ոսպնյակի և սիլիցիումային թիթեղի միջև հեռավորությունը փոխելով՝ կարելի է կարգավորել սիլիցիումի մակերեսին ճառագայթվող լույսի կետի չափը, այդպիսով փոխելով լազերային հոսքը. երբ կետի չափը հաստատուն է, թիրախային փուլի շարժման արագությունը փոխելով՝ կարելի է կարգավորել սիլիցիումի մակերեսի միավոր մակերեսի վրա ճառագայթվող իմպուլսների քանակը: Աշխատանքային գազը զգալիորեն ազդում է սիլիցիումի մակերեսի միկրոկառուցվածքի ձևի վրա: Երբ աշխատանքային գազը հաստատուն է, լազերային հոսքը և միավոր մակերեսի վրա ստացված իմպուլսների քանակը փոխելով՝ կարելի է կարգավորել միկրոկառուցվածքների բարձրությունը, կողմերի հարաբերակցությունը և հեռավորությունը:

1.2 Մանրադիտակային բնութագրեր

Ֆեմտովայրկյանային լազերային ճառագայթումից հետո սկզբնապես հարթ բյուրեղային սիլիցիումի մակերեսը ցուցադրում է կիսա-կանոնավոր դասավորված փոքրիկ կոնաձև կառուցվածքների զանգված: Կոնի գագաթները գտնվում են նույն հարթության վրա, ինչ շրջապատող չճառագայթված սիլիցիումի մակերեսը: Կոնաձև կառուցվածքի ձևը կապված է աշխատանքային գազի հետ, ինչպես ցույց է տրված նկար 2-ում, որտեղ (ա), (բ) և (գ)-ում ցույց տրված կոնաձև կառուցվածքները ձևավորվել են համապատասխանաբար SF₆, S և N₂ մթնոլորտներում: Այնուամենայնիվ, կոնի գագաթների ուղղությունը անկախ է գազից և միշտ ուղղված է լազերի անկման ուղղությամբ, չի ազդվում ձգողականությունից, ինչպես նաև անկախ է բյուրեղային սիլիցիումի խառնուրդի տեսակից, դիմադրողականությունից և բյուրեղային կողմնորոշումից. կոնի հիմքերը ասիմետրիկ են, իրենց կարճ առանցքը զուգահեռ է լազերային բևեռացման ուղղությանը: Օդում ձևավորված կոնաձև կառուցվածքները ամենակոպիտն են, և դրանց մակերեսները ծածկված են ավելի նուրբ 10-100 նմ դենդրիտային նանոկառուցվածքներով:

Որքան բարձր է լազերային հոսքը և որքան մեծ է իմպուլսների քանակը, այնքան ավելի բարձր և լայն են դառնում կոնաձև կառուցվածքները։ SF6 գազում կոնաձև կառուցվածքների բարձրությունը h և հեռավորությունը d ունեն ոչ գծային կապ, որը կարելի է մոտավորապես արտահայտել որպես h∝dp, որտեղ p=2.4±0.1; և՛ բարձրությունը h, և՛ հեռավորությունը d զգալիորեն աճում են լազերային հոսքի աճին զուգընթաց։ Երբ հոսքը 5 կՋ/մ²-ից աճում է մինչև 10 կՋ/մ², հեռավորությունը d մեծանում է 3 անգամ, և h-ի և d-ի միջև կապի հետ միասին, բարձրությունը h մեծանում է 12 անգամ։

Բարձր ջերմաստիճանում (1200 Կ, 3 ժամ) վակուումում թրծվելուց հետո, կոնաձև կառուցվածքներըսև սիլիցիումէականորեն չփոխվեց, սակայն մակերեսի վրա 10-100 նմ դենդրիտային նանոկառուցվածքները զգալիորեն նվազեցին։ Իոնային ալիքային սպեկտրոսկոպիան ցույց տվեց, որ կոնաձև մակերեսի վրա անկարգությունը նվազեց թրծումից հետո, սակայն անկարգ կառուցվածքների մեծ մասը չփոխվեց այս թրծման պայմաններում։

1.3 Ձևավորման մեխանիզմ

Ներկայումս սև սիլիցիումի ձևավորման մեխանիզմը պարզ չէ։ Այնուամենայնիվ, Էրիկ Մազուրը և այլք, հիմնվելով աշխատանքային մթնոլորտի հետ սիլիցիումի մակերևույթի միկրոկառուցվածքի ձևի փոփոխության վրա, ենթադրել են, որ բարձր ինտենսիվության ֆեմտովայրկյանային լազերների խթանման տակ գազի և բյուրեղային սիլիցիումի մակերևույթի միջև տեղի է ունենում քիմիական ռեակցիա, որը թույլ է տալիս սիլիցիումի մակերևույթը փորագրել որոշակի գազերով՝ առաջացնելով սուր կոներ։ Էրիկ Մազուրը և այլք սիլիցիումի մակերևույթի միկրոկառուցվածքի ձևավորման ֆիզիկական և քիմիական մեխանիզմները վերագրել են հետևյալին՝ բարձր հոսքի լազերային իմպուլսների պատճառով սիլիցիումի հիմքի հալմանը և աբլացիային, ուժեղ լազերային դաշտի կողմից առաջացած ռեակտիվ իոնների և մասնիկների կողմից սիլիցիումի հիմքի փորագրմանը, ինչպես նաև սիլիցիումի հիմքի աբլյացիայի վերաբյուրեղացմանը։

Սիլիցիումի մակերևույթի վրա կոնաձև կառուցվածքները ձևավորվում են ինքնաբերաբար, և կիսա-կանոնավոր զանգված կարող է ձևավորվել առանց դիմակի: Մ.Յ. Շենը և այլք 2 մկմ հաստությամբ թափանցող էլեկտրոնային մանրադիտակի պղնձե ցանց են կցել սիլիցիումի մակերևույթին՝ որպես դիմակ, ապա սիլիցիումային վաֆլը ճառագայթել են SF6 գազի մեջ՝ ֆեմտովայրկյանային լազերով: Նրանք սիլիցիումի մակերևույթի վրա ստացել են կոնաձև կառուցվածքների շատ կանոնավոր դասավորված զանգված, որը համապատասխանում է դիմակի նախշին (տե՛ս նկար 4): Դիմակի ապերտուրայի չափը զգալիորեն ազդում է կոնաձև կառուցվածքների դասավորության վրա: Միջադեպի լազերի դիֆրակցիան դիմակի ապերտուրաների կողմից առաջացնում է լազերային էներգիայի ոչ միատարր բաշխում սիլիցիումի մակերևույթի վրա, ինչը հանգեցնում է պարբերական ջերմաստիճանի բաշխման սիլիցիումի մակերևույթի վրա: Սա, ի վերջո, ստիպում է սիլիցիումի մակերևույթի կառուցվածքային զանգվածը դառնալ կանոնավոր: