Stuth Ùr Rèabhlaideach – Silicon Dubh
’S e seòrsa ùr de stuth silicon a th’ ann an silicon dubh le feartan optoelectronic sàr-mhath. Tha an t-artaigil seo a’ toirt geàrr-chunntas air an obair rannsachaidh air silicon dubh le Eric Mazur agus luchd-rannsachaidh eile anns na bliadhnachan mu dheireadh, a’ mìneachadh mar a chaidh silicon dubh ullachadh agus a chruthachadh, a bharrachd air na feartan aige leithid gabhail a-steach, soilleasachd, sgaoileadh achaidh, agus freagairt speactram. Tha e cuideachd a’ comharrachadh nan tagraidhean cudromach a dh’ fhaodadh a bhith aig silicon dubh ann an lorgairean infridhearg, ceallan grèine, agus taisbeanaidhean pannal còmhnard.
Tha silicon criostalach air a chleachdadh gu farsaing ann an gnìomhachas nan leth-chonnsadairean air sgàth a bhuannachdan leithid furasta glanadh, furasta dopadh, agus strì an aghaidh teòthachd àrd. Ach, tha mòran eas-bhuannachdan ann cuideachd, leithid ath-fhaileas àrd solas faicsinneach agus infridhearg air an uachdar aige. A bharrachd air an sin, air sgàth a bheàrn còmhlan mòr,silicon criostalachchan urrainn dhaibh solas a ghabhail a-steach le tonn-fhaid nas motha na 1100 nm. Nuair a tha tonn-fhaid an t-solais a tha a’ tighinn a-steach nas motha na 1100 nm, tha an ìre gabhail a-steach agus freagairt lorgairean silicon air an lughdachadh gu mòr. Feumar stuthan eile leithid germanium agus indium gallium arsenide a chleachdadh gus na tonn-fhaid sin a lorg. Ach, tha an cosgais àrd, droch fheartan teirmodynamic agus càileachd criostail, agus neo-fhreagarrachd le pròiseasan silicon aibidh a th’ ann mar-thà a’ cuingealachadh an cleachdadh ann an innealan stèidhichte air silicon. Mar sin, tha lughdachadh meòrachadh uachdar silicon criostalach agus leudachadh raon tonn-fhaid lorg lorgairean foto stèidhichte air silicon agus co-chòrdail ri silicon fhathast na chuspair rannsachaidh teth.
Gus lùghdachadh a dhèanamh air sgàth-sgàthan uachdar silicon criostalach, chaidh mòran dhòighean is innleachdan deuchainneach a chleachdadh, leithid fotolithografaidh, gràbhaladh ian ath-ghnìomhach, agus gràbhaladh dealan-cheimigeach. Faodaidh na dòighean sin, gu ìre àraidh, cruth-eòlas uachdar is faisg air uachdar silicon criostalach atharrachadh, agus mar sin a’ lughdachadhsileacon meòrachadh uachdar. Anns an raon solais fhaicsinneach, faodaidh lùghdachadh meòrachaidh gabhail a-steach a mheudachadh agus èifeachdas innealan a leasachadh. Ach, aig tonnan-fada nas àirde na 1100 nm, mura tèid ìrean lùtha gabhail a-steach a thoirt a-steach don bheàrn còmhlan silicon, chan eil meòrachadh nas lugha a’ leantainn ach gu barrachd tar-chuir, leis gu bheil beàrn còmhlan silicon mu dheireadh a’ cuingealachadh mar a bhios e a’ gabhail a-steach solas tonn-fhada. Mar sin, gus raon tonn-fada mothachail innealan stèidhichte air silicon agus innealan co-chòrdail ri silicon a leudachadh, tha e riatanach gabhail a-steach foton a mheudachadh taobh a-staigh a’ bheàirn còmhlan agus meòrachadh uachdar silicon a lughdachadh aig an aon àm.
Aig deireadh nan 1990an, fhuair an t-Ollamh Eric Mazur agus feadhainn eile aig Oilthigh Harvard stuth ùr - silicon dubh - rè an rannsachaidh air eadar-obrachadh leusairean femtosecond le stuth, mar a chithear ann am Figear 1. Fhad ‘s a bha iad a’ sgrùdadh feartan foto-electric silicon dubh, bha iongnadh air Eric Mazur agus a cho-obraichean faighinn a-mach gu bheil feartan foto-electric sònraichte aig an stuth silicon meanbh-structaraichte seo. Bidh e a’ gabhail a-steach cha mhòr a h-uile solas anns an raon faisg air ultraviolet agus faisg air infridhearg (0.25–2.5 μm), a’ nochdadh feartan luminescence faicsinneach agus faisg air infridhearg sàr-mhath agus deagh fheartan sgaoilidh achaidh. Dh’ adhbhraich an lorg seo iongnadh ann an gnìomhachas nan leth-chonnsadairean, le prìomh irisean a’ farpais ri aithris a dhèanamh air. Ann an 1999, dh’ fhoillsich irisean Scientific American agus Discover, ann an 2000 earrann saidheans Los Angeles Times, agus ann an 2001 iris New Scientist artaigilean feart a’ beachdachadh air lorg silicon dubh agus na tagraidhean a dh’ fhaodadh a bhith ann, a’ creidsinn gu bheil luach mòr comasach aige ann an raointean leithid mothachadh iomallach, conaltradh optigeach, agus meanbh-eileagtronaigeachd.
An-dràsta, tha T. Samet às an Fhraing, Anoife M. Moloney à Èirinn, Zhao Li bho Oilthigh Fudan ann an Sìona, agus Men Haining bho Acadamaidh Saidheansan Shìona uile air rannsachadh farsaing a dhèanamh air silicon dubh agus air toraidhean tòiseachaidh a choileanadh. Tha SiOnyx, companaidh ann am Massachusetts, na SA, eadhon air $11 millean a thogail ann an calpa iomairt gus a bhith na àrd-ùrlar leasachaidh teicneòlais do chompanaidhean eile, agus tha iad air tòiseachadh air cinneasachadh malairteach de wafers silicon dubh stèidhichte air mothachairean, ag ullachadh airson na toraidhean crìochnaichte a chleachdadh ann an siostaman ìomhaighean infridhearg an ath ghinealach. Thuirt Stephen Saylor, Ceannard SiOnyx, gum bi buannachdan cosgais ìseal agus cugallachd àrd teicneòlas silicon dubh gu cinnteach a’ tàladh aire chompanaidhean a tha ag amas air margaidhean rannsachaidh agus ìomhaighean meidigeach. San àm ri teachd, is dòcha gun tèid e a-steach do mhargaidh camarathan didseatach agus camcorder ioma-billean dolar. Tha SiOnyx cuideachd an-dràsta a’ dèanamh deuchainnean le feartan photovoltaic silicon dubh, agus tha e glè choltach gun…silicon dubhthèid a chleachdadh ann an ceallan grèine san àm ri teachd. 1. Pròiseas Cruthachaidh Silicon Dhubh
1.1 Pròiseas Ullachaidh
Tha uaifearan sileacon aon-chriostail air an glanadh às dèidh a chèile le trichloroethylene, acetone, agus methanol, agus an uairsin air an cur air àrd-ùrlar targaid trì-thaobhach gluasadach ann an seòmar falamh. Tha cuideam bunaiteach an t-seòmair falamh nas lugha na 1.3 × 10⁻² Pa. Faodaidh an gas obrach a bhith SF₆, Cl₂, N₂, èadhar, H₂S, H₂, SiH₄, msaa., le cuideam obrach de 6.7 × 10⁴ Pa. Air neo, faodar àrainneachd falamh a chleachdadh, no faodar pùdar eileamaideach de S, Se, no Te a chòmhdach air uachdar an t-sileacon ann am falamh. Faodar an àrd-ùrlar targaid a bhogadh ann an uisge cuideachd. Tha cuislean femtosecond (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) air an gineadh le amplifier ath-ghinealach laser Ti:sapphire air an cur ann am fòcas le lionsa agus air an rèididheachd gu ceart-cheàrnach air uachdar an t-silicon (tha lùth toraidh an laser air a smachdachadh le lughdaichear, anns a bheil truinnsear leth-thonn agus polarizer). Le bhith a’ gluasad an àrd-ùrlair targaid gus uachdar an t-silicon a sganadh leis a’ phuing laser, gheibhear stuth silicon dubh farsaingeachd mhòr. Faodaidh atharrachadh an astair eadar an lionsa agus an uaimh silicon meud a’ phuing solais a tha air a rèididheachd air uachdar an t-silicon atharrachadh, agus mar sin ag atharrachadh sruth an laser; nuair a tha meud a’ phuing seasmhach, faodaidh atharrachadh astar gluasaid an àrd-ùrlair targaid an àireamh de chuislean a tha air an rèididheachd air raon aonad den uachdar silicon atharrachadh. Tha buaidh mhòr aig a’ ghas obrach air cumadh meanbh-structar uachdar an t-silicon. Nuair a tha an gas obrach seasmhach, faodaidh atharrachadh sruth an laser agus an àireamh de chuislean a gheibhear gach raon aonad smachd a chumail air àirde, co-mheas taobh, agus astar nam meanbh-structaran.
1.2 Feartan Microscopach
Às dèidh rèididheachd leusair femtosecond, tha an uachdar silicon criostalach rèidh tùsail a’ taisbeanadh sreath de structaran beaga cònail air an rèiteachadh gu ìre cha mhòr cunbhalach. Tha mullaichean nan còn air an aon phlèana ris an uachdar silicon neo-rèidichte mun cuairt. Tha cumadh an structair chònail co-cheangailte ris a’ ghas obrach, mar a chithear ann am Figear 2, far a bheil na structaran cònail a chithear ann an (a), (b), agus (c) air an cruthachadh ann an àileachan SF₆, S, agus N₂, fa leth. Ach, tha stiùireadh mullaichean nan còn neo-eisimeileach bhon ghas agus an-còmhnaidh a’ comharrachadh ann an stiùireadh buaidh leusair, gun bhuaidh grabhataidh, agus cuideachd neo-eisimeileach bhon t-seòrsa dopaidh, an aghaidh, agus treòrachadh criostail an t-silicon criostalach; tha bunaitean nan còn neo-chothromach, leis an ais ghoirid aca co-shìnte ri stiùireadh polarization an leusair. Is iad na structaran cònail a chaidh a chruthachadh san adhar as garbh, agus tha na h-uachdaran aca còmhdaichte le nanostructaran dendritic eadhon nas mìne de 10–100 nm.
Mar as àirde sruth an leusair agus mar as motha an àireamh de chuislean, ’s ann as àirde agus as leatha a bhios na structaran cònail. Ann an gas SF6, tha dàimh neo-loidhneach aig àirde h agus astar d nan structaran cònail, a dh’ fhaodar a chur an cèill gu tuairmseach mar h∝dp, far a bheil p=2.4±0.1; bidh an dà chuid àirde h agus astar d ag àrdachadh gu mòr le sruth an leusair ag àrdachadh. Nuair a bhios an sruth ag àrdachadh bho 5 kJ/m² gu 10 kJ/m², bidh an t-astar d ag àrdachadh 3 tursan, agus còmhla ris a’ cheangal eadar h agus d, bidh àirde h ag àrdachadh 12 uair.
Às dèidh teasachaidh aig teòthachd àrd (1200 K, 3 uairean) ann am falamh, structaran cònaigeachsilicon dubhcha do dh’atharraich e gu mòr, ach chaidh na nano-structaran dendritic 10–100 nm air an uachdar a lùghdachadh gu mòr. Sheall speactroscopaidh seanail ian gun do lùghdaich an eas-òrdugh air an uachdar cònail às deidh an losgadh, ach cha do dh’atharraich a’ mhòr-chuid de na structaran mì-òrdaichte fo na cumhaichean losgadh seo.
1.3 Inneal-cruinneachaidh
An-dràsta, chan eil dòigh-obrach cruthachadh silicon dubh soilleir. Ach, bha Eric Mazur et al. den bheachd, stèidhichte air an atharrachadh ann an cumadh meanbh-structar uachdar an t-silicon leis an àile obrach, fo bhrosnachadh leusairean femtosecond àrd-dian, gu bheil ath-bhualadh ceimigeach eadar an gas agus uachdar criostalach an t-silicon, a’ leigeil le uachdar an t-silicon a bhith air a ghràbhaladh le gasaichean sònraichte, a’ cruthachadh cònaichean biorach. Chuir Eric Mazur et al. na dòighean-obrach fiosaigeach is ceimigeach airson cruthachadh meanbh-structar uachdar silicon às leth: leaghadh agus toirt air falbh an t-substrate silicon air adhbhrachadh le cuislean laser àrd-fhluasachd; gràbhaladh an t-substrate silicon le ianan agus mìrean ath-ghnìomhach air an gineadh leis an raon laser làidir; agus ath-chriostalachadh a’ phàirt a chaidh a thoirt air falbh den t-substrate silicon.
Tha na structaran cònail air uachdar an t-silicon air an cruthachadh gu saor-thoileach, agus faodar sreath cha mhòr cunbhalach a chruthachadh às aonais masg. Cheangail MY Shen et al. mogal copair miocroscop dealanach tar-chuir 2 μm de thighead ri uachdar an t-silicon mar masg, agus an uairsin chuir iad rèididheachd air a’ chliath-shilicon ann an gas SF6 le laser femtosecond. Fhuair iad sreath de structaran cònail air uachdar an t-silicon a bha air an rèiteachadh gu math cunbhalach, a rèir pàtran a’ mhasg (faic Figear 4). Tha meud fosglaidh a’ mhasg a’ toirt buaidh mhòr air rèiteachadh nan structaran cònail. Bidh diffraction an laser a tha a’ tighinn a-steach leis na fosglaidhean masg ag adhbhrachadh sgaoileadh neo-chunbhalach de lùth laser air uachdar an t-silicon, agus mar thoradh air sin bidh sgaoileadh teòthachd cunbhalach air uachdar an t-silicon. Tha seo mu dheireadh a’ toirt air sreath structar uachdar an t-silicon a bhith cunbhalach.