Yon nouvo materyèl revolisyonè – Silisyòm nwa
Silisyòm nwa a se yon nouvo kalite materyèl silikon ki gen ekselan pwopriyete optoelektwonik. Atik sa a rezime travay rechèch Eric Mazur ak lòt chèchè yo te fè sou silikon nwa nan dènye ane yo, li detaye mekanis preparasyon ak fòmasyon silikon nwa a, ansanm ak pwopriyete li yo tankou absòpsyon, liminesans, emisyon chan mayetik, ak repons espektral. Li mete aksan tou sou aplikasyon potansyèl enpòtan silikon nwa a nan detektè enfrawouj, selil solè, ak ekran plat.
Silisyòm kristalin lajman itilize nan endistri semi-kondiktè akòz avantaj li yo tankou fasilite pou pirifye, fasilite pou dope, ak rezistans a tanperati ki wo. Sepandan, li gen anpil dezavantaj tou, tankou gwo refleksyon limyè vizib ak enfrawouj sou sifas li. Anplis de sa, akòz gwo espas bann li a,silikon kristalinpa ka absòbe limyè ki gen longèdonn ki pi gran pase 1100 nm. Lè longèdonn limyè ensidan an pi gran pase 1100 nm, absòpsyon ak to repons detektè Silisyòm yo redwi anpil. Lòt materyèl tankou jèmanyòm ak endyòm galyòm arseniur dwe itilize pou detekte longèdonn sa yo. Sepandan, pri ki wo, pwopriyete tèmodinamik ak kalite kristal ki pòv, ak enkonpatibilite ak pwosesis Silisyòm ki deja egziste yo limite aplikasyon yo nan aparèy ki baze sou Silisyòm. Se poutèt sa, diminye refleksyon sifas Silisyòm cristalline yo ak pwolonje seri longèdonn deteksyon fotodetektè ki baze sou Silisyòm ak konpatib ak Silisyòm rete yon sijè rechèch cho.
Pou diminye refleksyon sifas silikon kristalin, yo te itilize anpil metòd ak teknik eksperimantal, tankou fotolitografi, grave ak iyon reyaktif, ak grave elektwochimik. Teknik sa yo ka, nan yon sèten mezi, chanje mòfoloji sifas ak toupre sifas silikon kristalin nan, kidonk diminyesilikon refleksyon sifas. Nan ranje limyè vizib la, diminye refleksyon an ka ogmante absòpsyon epi amelyore efikasite aparèy la. Sepandan, nan longèdonn ki depase 1100 nm, si pa gen okenn nivo enèji absòpsyon ki entwodui nan espas bann Silisyòm lan, rediksyon refleksyon an sèlman mennen nan yon ogmantasyon transmisyon, paske espas bann Silisyòm lan limite absòpsyon limyè longèdonn long li an finalman. Se poutèt sa, pou ogmante ranje longèdonn sansib aparèy ki baze sou Silisyòm ak konpatib ak Silisyòm yo, li nesesè pou ogmante absòpsyon foton nan espas bann lan pandan y ap diminye refleksyon sifas Silisyòm lan an menm tan.
Nan fen ane 1990 yo, Pwofesè Eric Mazur ak lòt moun nan Inivèsite Harvard te jwenn yon nouvo materyèl—silikon nwa—pandan rechèch yo sou entèraksyon lazè femtosegond ak matyè, jan yo montre nan Figi 1. Pandan y ap etidye pwopriyete fotoelektrik silikon nwa a, Eric Mazur ak kòlèg li yo te sezi dekouvri ke materyèl silikon mikwostriktire sa a posede pwopriyete fotoelektrik inik. Li absòbe prèske tout limyè nan seri iltravyolèt ak enfrawouj ki toupre (0.25–2.5 μm), li montre ekselan karakteristik liminesans vizib ak enfrawouj ki toupre ak bon pwopriyete emisyon chan. Dekouvèt sa a te lakòz yon sansasyon nan endistri semi-kondiktè a, ak gwo magazin ki t ap fè konpetisyon pou rapòte sou li. An 1999, magazin Scientific American ak Discover, an 2000 seksyon syans Los Angeles Times la, ak an 2001 magazin New Scientist te pibliye atik ki diskite sou dekouvèt silikon nwa a ak aplikasyon potansyèl li yo, yo te kwè li gen yon valè potansyèl siyifikatif nan domèn tankou teledeteksyon, kominikasyon optik, ak mikwoelektwonik.
Kounye a, T. Samet ki soti an Frans, Anoife M. Moloney ki soti an Ilann, Zhao Li ki soti nan Inivèsite Fudan nan Lachin, ak Men Haining ki soti nan Akademi Syans Chinwa a tout te fè rechèch apwofondi sou silikon nwa epi yo te jwenn rezilta preliminè. SiOnyx, yon konpayi nan Massachusetts, Etazini, menm ranmase 11 milyon dola nan kapital risk pou sèvi kòm yon platfòm devlopman teknoloji pou lòt konpayi yo, epi li te kòmanse pwodiksyon komèsyal plak silikon nwa ki baze sou detèktè, pou prepare pou itilize pwodwi fini yo nan sistèm imaj enfrawouj pwochen jenerasyon an. Stephen Saylor, PDG SiOnyx, te deklare ke avantaj pri ki ba ak gwo sansiblite teknoloji silikon nwa a pral inevitableman atire atansyon konpayi ki konsantre sou mache rechèch ak imaj medikal yo. Nan lavni, li ka menm antre nan mache kamera ak kamera dijital plizyè milya dola a. SiOnyx ap fè eksperyans tou ak pwopriyete fotovoltaik silikon nwa a, epi li trè pwobab kesilikon nwapral itilize nan selil solè nan lavni. 1. Pwosesis fòmasyon Silisyòm nwa a
1.1 Pwosesis Preparasyon an
Yo netwaye waf silikon monokristal yo youn apre lòt avèk trikloroetilèn, asetòn, ak metanol, epi answit yo mete yo sou yon platfòm sib ki ka deplase twa dimansyon nan yon chanm vakyòm. Presyon debaz chanm vakyòm nan mwens pase 1.3 × 10⁻² Pa. Gaz travay la kapab SF₆, Cl₂, N₂, lè, H₂S, H₂, SiH₄, elatriye, ak yon presyon travay 6.7 × 10⁴ Pa. Altènativman, yo ka itilize yon anviwònman vakyòm, oubyen yo ka aplike poud eleman S, Se, oubyen Te sou sifas silikon an nan yon vakyòm. Yo kapab tou plonje platfòm sib la nan dlo. Pulsasyon femtosegond (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) ki pwodui pa yon anplifikatè rejeneratif lazè Ti:safir yo konsantre pa yon lantiy epi yo iradye pèpandikilèman sou sifas silikon an (enèji pwodiksyon lazè a kontwole pa yon atenuatè, ki konsiste de yon plak demi-onn ak yon polarizè). Lè w deplase etap sib la pou eskane sifas silikon an ak tach lazè a, ou ka jwenn yon materyèl silikon nwa ki gen yon gwo sifas. Chanje distans ki genyen ant lantiy la ak waf silikon an ka ajiste gwosè tach limyè ki iradye sou sifas silikon an, kidonk chanje fluans lazè a; lè gwosè tach la konstan, chanje vitès mouvman etap sib la ka ajiste kantite pulsasyon ki iradye sou yon inite sifas silikon an. Gaz k ap travay la afekte anpil fòm mikwoestrikti sifas silikon an. Lè gaz k ap travay la konstan, chanje fluans lazè a ak kantite pulsasyon ki resevwa pou chak inite sifas ka kontwole wotè, rapò aspè, ak espasman mikwoestrikti yo.
1.2 Karakteristik mikwoskopik
Apre iradyasyon lazè femtosegond, sifas silikon kristalin ki te lis okòmansman an montre yon seri ti estrikti konik ki ranje yon fason prèske regilye. Tèt kòn yo sou menm plan ak sifas silikon ki pa iradyasyon an. Fòm estrikti konik la gen rapò ak gaz k ap travay la, jan yo montre nan Figi 2, kote estrikti konik yo montre nan (a), (b), ak (c) yo fòme nan atmosfè SF₆, S, ak N₂, respektivman. Sepandan, direksyon tèt kòn yo endepandan de gaz la epi yo toujou montre nan direksyon ensidans lazè a, san afekte pa gravite, epi tou endepandan de kalite dopan, rezistivite, ak oryantasyon kristal silikon kristalin lan; baz kòn yo asimetrik, ak aks kout yo paralèl ak direksyon polarizasyon lazè a. Estrikti konik ki fòme nan lè a se pi ki graj yo, epi sifas yo kouvri ak nanostrikti dendritik ki pi rafine ki gen 10-100 nm.
Plis fluans lazè a wo epi plis kantite pulsasyon yo ogmante, se plis estrikti konik yo vin wo epi laj. Nan gaz SF6, wotè h ak espas d estrikti konik yo gen yon relasyon ki pa lineyè, ke nou ka eksprime apeprè kòm h∝dp, kote p=2.4±0.1; ni wotè h ni espas d ogmante anpil lè fluans lazè a ogmante. Lè fluans lan ogmante soti nan 5 kJ/m² pou rive nan 10 kJ/m², espas d la ogmante pa 3 fwa, epi lè nou konbine avèk relasyon ki genyen ant h ak d, wotè h la ogmante pa 12 fwa.
Apre rekui nan tanperati ki wo (1200 K, 3 èdtan) nan yon vid, estrikti konik yo nansilikon nwapa t chanje anpil, men nanostrikti dendritik 10-100 nm yo sou sifas la te redwi anpil. Espèktroskopi kanalizasyon iyon an te montre ke dezòd la sou sifas konik la te diminye apre rekui a, men pifò nan estrikti dezòdone yo pa t chanje anba kondisyon rekui sa yo.
1.3 Mekanis fòmasyon
Kounye a, mekanis fòmasyon silikon nwa a pa klè. Sepandan, Eric Mazur et al. te espekile, baze sou chanjman nan fòm mikwoestrikti sifas silikon an ak atmosfè k ap travay la, ke anba eksitasyon lazè femtosegond gwo entansite, gen yon reyaksyon chimik ant gaz la ak sifas silikon cristalline a, sa ki pèmèt sifas silikon an grave pa sèten gaz, fòme kòn byen file. Eric Mazur et al. te atribiye mekanis fizik ak chimik fòmasyon mikwoestrikti sifas silikon an a: fizyon ak ablasyon substrati silikon an ki te koze pa pulsasyon lazè gwo fluans; grave substrati silikon an pa iyon reyaktif ak patikil ki pwodui pa chan lazè fò a; ak rekristalizasyon pati ablasyon substrati silikon an.
Estrikti konik yo sou sifas Silisyòm nan fòme espontane, epi yon seri kwazi-regilye ka fòme san yon mask. MY Shen et al. te tache yon may kwiv mikwoskòp elektwonik transmisyon 2 μm epesè sou sifas Silisyòm nan kòm yon mask, epi answit yo te iradye waf Silisyòm nan nan gaz SF6 ak yon lazè femtosegond. Yo te jwenn yon seri estrikti konik ki ranje trè regilyèman sou sifas Silisyòm nan, ki konsistan avèk modèl mask la (gade Figi 4). Gwosè ouvèti mask la afekte anpil aranjman estrikti konik yo. Difraksyon lazè ensidan an pa ouvèti mask yo lakòz yon distribisyon enèji lazè ki pa inifòm sou sifas Silisyòm nan, sa ki lakòz yon distribisyon tanperati peryodik sou sifas Silisyòm nan. Sa finalman fòse seri estrikti sifas Silisyòm nan vin regilye.