İnqilabi Yeni Material - Qara Silikon
Qara silikon əla optoelektronik xüsusiyyətlərə malik yeni bir silikon material növüdür. Bu məqalədə Erik Mazur və digər tədqiqatçılar tərəfindən son illərdə qara silikon üzərində aparılan tədqiqat işləri ümumiləşdirilir, qara silikonun hazırlanması və əmələ gəlmə mexanizmi, eləcə də udma, lüminesans, sahə emissiyası və spektral reaksiya kimi xüsusiyyətləri ətraflı şəkildə izah olunur. Həmçinin, qara silikonun infraqırmızı detektorlarda, günəş batareyalarında və düz panelli displeylərdə mühüm potensial tətbiqlərinə də diqqət yetirilir.
Kristal silikon təmizlənmənin asanlığı, aşqarlanmanın asanlığı və yüksək temperatur müqaviməti kimi üstünlüklərinə görə yarımkeçiricilər sənayesində geniş istifadə olunur. Bununla belə, onun səthində görünən və infraqırmızı işığın yüksək əks etdirilməsi kimi bir çox çatışmazlıqları da var. Bundan əlavə, böyük zolaq boşluğuna görə,kristal silikon1100 nm-dən çox dalğa uzunluğuna malik işığı udmaq mümkün deyil. Düşən işığın dalğa uzunluğu 1100 nm-dən çox olduqda, silikon detektorlarının udma və cavab vermə sürəti xeyli azalır. Bu dalğa uzunluqlarını aşkar etmək üçün germanium və indium qallium arsenid kimi digər materiallardan istifadə edilməlidir. Lakin, yüksək qiymət, zəif termodinamik xüsusiyyətlər və kristal keyfiyyəti, eləcə də mövcud yetkin silikon prosesləri ilə uyğunsuzluq onların silikon əsaslı cihazlarda tətbiqini məhdudlaşdırır. Buna görə də, kristal silikon səthlərinin əks olunmasını azaltmaq və silikon əsaslı və silikonla uyğun fotodetektorların aşkarlama dalğa uzunluğu diapazonunu genişləndirmək aktual tədqiqat mövzusu olaraq qalır.
Kristal silikon səthlərinin əks olunmasını azaltmaq üçün fotolitoqrafiya, reaktiv ion aşındırma və elektrokimyəvi aşındırma kimi bir çox təcrübi metod və texnika tətbiq edilmişdir. Bu üsullar müəyyən dərəcədə kristal silikonun səthi və səthə yaxın morfologiyasını dəyişdirə və beləliklə, azalda bilər.silikon səth əks olunması. Görünən işıq diapazonunda əks olunmanın azaldılması udulmanı artıra və cihazın səmərəliliyini artıra bilər. Lakin, 1100 nm-dən çox dalğa uzunluqlarında, silikon zolaq boşluğuna heç bir udma enerjisi səviyyəsi daxil edilmədikdə, azalmış əks olunma yalnız ötürülmənin artmasına gətirib çıxarır, çünki silikonun zolaq boşluğu nəticədə uzun dalğa uzunluğundakı işığın udulmasını məhdudlaşdırır. Buna görə də, silikon əsaslı və silikonla uyğun cihazların həssas dalğa uzunluğu diapazonunu genişləndirmək üçün eyni zamanda silikon səth əks olunmasını azaltmaqla yanaşı, zolaq boşluğunda foton udulmasını artırmaq lazımdır.
1990-cı illərin sonlarında Harvard Universitetinin professoru Erik Mazur və digərləri Şəkil 1-də göstərildiyi kimi, femtosaniyə lazerlərinin maddə ilə qarşılıqlı təsiri üzrə tədqiqatlar zamanı yeni bir material - qara silisium əldə etdilər. Qara silisiumun fotoelektrik xüsusiyyətlərini öyrənərkən Erik Mazur və həmkarları bu mikrostrukturlu silisium materialının unikal fotoelektrik xüsusiyyətlərə malik olduğunu aşkar etdikdə təəccübləndilər. O, demək olar ki, bütün işığı yaxın ultrabənövşəyi və yaxın infraqırmızı diapazonda (0,25-2,5 μm) udur, əla görünən və yaxın infraqırmızı lüminesans xüsusiyyətləri və yaxşı sahə emissiya xüsusiyyətləri nümayiş etdirir. Bu kəşf yarımkeçirici sənayesində sensasiyaya səbəb oldu və böyük jurnallar bu barədə məlumat vermək üçün yarışdılar. 1999-cu ildə Scientific American və Discover jurnalları, 2000-ci ildə Los Angeles Times elm bölməsi və 2001-ci ildə New Scientist jurnalı qara silisiumun kəşfi və onun potensial tətbiqlərini müzakirə edən məqalələr dərc etdi və onun məsafədən zondlama, optik rabitə və mikroelektronika kimi sahələrdə əhəmiyyətli potensial dəyərə malik olduğuna inandılar.
Hazırda Fransadan T. Samet, İrlandiyadan Anoife M. Moloney, Çinin Fudan Universitetindən Zhao Li və Çin Elmlər Akademiyasından Men Haining qara silikon üzərində geniş tədqiqatlar aparmış və ilkin nəticələr əldə etmişlər. ABŞ-ın Massaçusets ştatında yerləşən SiOnyx şirkəti hətta digər şirkətlər üçün texnologiya inkişaf platforması kimi xidmət etmək üçün 11 milyon dollarlıq vençur kapitalı cəlb etmiş və hazır məhsulları yeni nəsil infraqırmızı görüntüləmə sistemlərində istifadə etməyə hazırlaşaraq sensor əsaslı qara silikon lövhələrin kommersiya istehsalına başlamışdır. SiOnyx şirkətinin baş direktoru Stiven Seylor bildirib ki, qara silikon texnologiyasının aşağı qiyməti və yüksək həssaslıq üstünlükləri qaçılmaz olaraq tədqiqat və tibbi görüntüləmə bazarlarına yönəlmiş şirkətlərin diqqətini cəlb edəcək. Gələcəkdə hətta milyardlarla dollarlıq rəqəmsal kamera və videokamera bazarına da daxil ola bilər. SiOnyx hazırda qara silikonun fotovoltaik xüsusiyyətləri ilə də təcrübələr aparır və çox güman ki,...qara silikongələcəkdə günəş batareyalarında istifadə olunacaq. 1. Qara Silikonun əmələ gəlmə prosesi
1.1 Hazırlıq prosesi
Tək kristallı silikon lövhələr ardıcıl olaraq trixloretilen, aseton və metanol ilə təmizlənir və sonra vakuum kamerasında üçölçülü hərəkətli hədəf mərhələsinə yerləşdirilir. Vakuum kamerasının əsas təzyiqi 1,3 × 10⁻² Pa-dan azdır. İşçi qaz SF₆, Cl₂, N₂, hava, H₂S, H₂, SiH₄ və s. ola bilər, işçi təzyiqi isə 6,7 × 10⁴ Pa təşkil edir. Alternativ olaraq, vakuum mühitindən istifadə edilə bilər və ya S, Se və ya Te elementar tozları vakuumda silikon səthinə örtülə bilər. Hədəf mərhələsi də suya batırıla bilər. Ti:sapfir lazer regenerativ gücləndiricisi tərəfindən yaradılan femtosaniyəli impulslar (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) linza vasitəsilə fokuslanır və silikon səthinə perpendikulyar şəkildə şüalanır (lazer çıxış enerjisi yarımdalğalı lövhədən və polyarizatordan ibarət olan zəiflədici tərəfindən idarə olunur). Hədəf mərhələsini lazer ləkəsi ilə silikon səthini skan etmək üçün hərəkət etdirməklə geniş sahəli qara silikon material əldə etmək olar. Linza və silikon lövhə arasındakı məsafəni dəyişdirmək silikon səthində şüalanan işıq ləkəsinin ölçüsünü tənzimləyə və bununla da lazer axınını dəyişdirə bilər; ləkə ölçüsü sabit olduqda, hədəf mərhələsinin hərəkət sürətini dəyişdirmək silikon səthinin vahid sahəsinə şüalanan impulsların sayını tənzimləyə bilər. İşçi qaz silikon səthinin mikrostrukturunun formasına əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. İşçi qaz sabit olduqda, lazer axınını və vahid sahəyə düşən impulsların sayını dəyişdirmək mikrostrukturların hündürlüyünü, aspekt nisbətini və məsafəsini idarə edə bilər.
1.2 Mikroskopik Xüsusiyyətlər
Femtosaniyə lazer şüalanmasından sonra, əvvəlcə hamar kristal silikon səthi kvazi-müntəzəm düzülmüş kiçik konik strukturlar massivini nümayiş etdirir. Konus zirvələri ətrafdakı şüalanmamış silikon səthi ilə eyni müstəvidədir. Konik strukturun forması, Şəkil 2-də göstərildiyi kimi, işçi qazla əlaqəlidir, burada (a), (b) və (c)-də göstərilən konik strukturlar müvafiq olaraq SF₆, S və N₂ atmosferlərində əmələ gəlir. Lakin, konus zirvələrinin istiqaməti qazdan asılı deyil və həmişə lazer düşmə istiqamətində, cazibə qüvvəsindən asılı olmayaraq, həmçinin kristal silikonun aşqarlanma növündən, müqavimətindən və kristal istiqamətindən asılı deyil; konus əsasları asimmetrikdir, qısa oxları lazer polyarizasiya istiqamətinə paraleldir. Havada əmələ gələn konik strukturlar ən kobuddur və səthləri 10-100 nm-lik daha incə dendritik nanostrukturlarla örtülmüşdür.
Lazer axını nə qədər yüksək və impulsların sayı nə qədər çox olarsa, konusvari strukturlar bir o qədər hündür və enli olur. SF6 qazında konusvari strukturların hündürlüyü h və məsafəsi d qeyri-xətti bir əlaqəyə malikdir və bu, təxminən h∝dp kimi ifadə edilə bilər, burada p=2.4±0.1; həm hündürlük h, həm də məsafə d lazer axınının artması ilə əhəmiyyətli dərəcədə artır. Axın 5 kJ/m²-dən 10 kJ/m²-ə qədər artdıqda, məsafə d 3 dəfə artır və h ilə d arasındakı əlaqə ilə birləşdirildikdə, hündürlük h 12 dəfə artır.
Vakuumda yüksək temperaturda (1200 K, 3 saat) tavlamadan sonra, konik strukturlarqara silikonəhəmiyyətli dərəcədə dəyişmədi, lakin səthdəki 10-100 nm dendritik nanostrukturlar xeyli azalmışdır. İon kanal spektroskopiyası göstərdi ki, konusvari səthdəki pozğunluq tavlamadan sonra azalıb, lakin pozğun strukturların əksəriyyəti bu tavlama şəraitində dəyişməyib.
1.3 Formalaşma Mexanizmi
Hazırda qara silisiumun əmələ gəlmə mexanizmi aydın deyil. Lakin, Erik Mazur və digərləri, işçi atmosferi ilə silisium səthinin mikrostrukturunun formasının dəyişməsinə əsaslanaraq, yüksək intensivlikli femtosaniyə lazerlərinin stimullaşdırılması altında qazla kristal silisium səthi arasında kimyəvi reaksiya baş verdiyini və silisium səthinin müəyyən qazlar tərəfindən aşındırılaraq iti konuslar əmələ gətirdiyini fərziyyə irəli sürdülər. Erik Mazur və digərləri silisium səthinin mikrostrukturunun əmələ gəlməsinin fiziki və kimyəvi mexanizmlərini aşağıdakılara aid etdilər: yüksək axıcı lazer impulsları nəticəsində silisium substratının əriməsi və ablasiyası; güclü lazer sahəsi tərəfindən yaradılan reaktiv ionlar və hissəciklər tərəfindən silisium substratının aşındırılması; və substrat silisiumunun ablasiya olunmuş hissəsinin yenidən kristallaşması.
Silikon səthindəki konik strukturlar öz-özünə əmələ gəlir və maska olmadan kvazi-müntəzəm massiv əmələ gələ bilər. MY Shen və digərləri silikon səthinə maska kimi 2 μm qalınlığında ötürücü elektron mikroskop mis torunu bağladılar və sonra silikon lövhəni SF6 qazında femtosaniyə lazeri ilə şüalandırdılar. Onlar silikon səthində maska naxışına uyğun olaraq çox müntəzəm düzülmüş konik strukturlar massivi əldə etdilər (Şəkil 4-ə baxın). Maskanın diafraqma ölçüsü konik strukturların düzülüşünə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Düşən lazerin maska diafraqmaları tərəfindən difraksiyası silikon səthində lazer enerjisinin qeyri-bərabər paylanmasına səbəb olur və nəticədə silikon səthində dövri temperatur paylanması yaranır. Bu, nəticədə silikon səthi struktur massivinin müntəzəm olmasına səbəb olur.