Ohun èlò tuntun tó yí padà – Silikoni dúdú
Silikoni dudu jẹ́ irú ohun èlò silikoni tuntun pẹ̀lú àwọn ànímọ́ optoelectronic tó dára jùlọ. Àpilẹ̀kọ yìí ṣàkópọ̀ iṣẹ́ ìwádìí lórí silikoni dudu láti ọwọ́ Eric Mazur àti àwọn olùwádìí mìíràn ní àwọn ọdún àìpẹ́ yìí, ó ṣe àlàyé nípa ìṣètò àti ìṣẹ̀dá silikoni dudu, àti àwọn ànímọ́ rẹ̀ bíi gbígbà, ìmọ́lẹ̀, ìtújáde pápá, àti ìdáhùn spectral. Ó tún tọ́ka sí àwọn lílo pàtàkì ti silikoni dudu nínú àwọn ohun èlò ìwádìí infrared, àwọn sẹ́ẹ̀lì oòrùn, àti àwọn ìfihàn flat-panel.
Wọ́n ń lo silikoni kirisitali ní ilé iṣẹ́ semiconductor nítorí àwọn àǹfààní rẹ̀ bíi ìrọ̀rùn ìwẹ̀nùmọ́, ìrọ̀rùn ìtọ́jú oògùn, àti ìdènà ooru gíga. Síbẹ̀síbẹ̀, ó tún ní ọ̀pọ̀lọpọ̀ àléébù, bíi ìmọ́lẹ̀ tí ó hàn gbangba àti infurarẹẹdi lórí ojú rẹ̀. Jù bẹ́ẹ̀ lọ, nítorí àlàfo ńlá rẹ̀,silikoni kirisitaKò le fa ìmọ́lẹ̀ mọ́ra pẹ̀lú àwọn ìgbì omi tó ju 1100 nm lọ. Nígbà tí ìgbì omi ìmọ́lẹ̀ ìṣẹ̀lẹ̀ bá ju 1100 nm lọ, ìwọ̀n ìfàsẹ́yìn àti ìdáhùn àwọn ohun èlò ìwádìí silicon dínkù gidigidi. Àwọn ohun èlò míràn bíi germanium àti indium gallium arsenide gbọ́dọ̀ jẹ́ kí a lo láti ṣàwárí àwọn ìgbì omi wọ̀nyí. Síbẹ̀síbẹ̀, owó gíga, àwọn ohun-ìní thermodynamic tí kò dára àti dídára kristali, àti àìbáramu pẹ̀lú àwọn ìlànà silicon tó ti dàgbà tó wà ní ìkánjú lílò wọn nínú àwọn ẹ̀rọ tí a fi silicon ṣe. Nítorí náà, dídín ìfarahàn àwọn ojú silikoni kristali kù àti fífẹ̀ ìwọ̀n ìgbì omi ìwádìí ti àwọn photodetectors tí a fi silicon ṣe àti silicon ṣe ìbáramu ṣì jẹ́ kókó ìwádìí gbígbóná janjan.
Láti dín àfihàn àwọn ojú ilẹ̀ silicon kristali kù, ọ̀pọ̀lọpọ̀ ọ̀nà àti ọ̀nà ìwádìí ni a ti lò, bíi photolithography, reactive ion etching, àti electrochemical etching. Àwọn ọ̀nà wọ̀nyí lè yí ojú ilẹ̀ àti ìrísí ojú ilẹ̀ silicon kristali padà dé àyè kan, nípa bẹ́ẹ̀ wọ́n lè dínkùsilikoni Àwòrán ojú ilẹ̀. Nínú ìwọ̀n ìmọ́lẹ̀ tí a lè rí, ìdínkù àwòrán lè mú kí ìfàmọ́ra pọ̀ sí i kí ó sì mú kí iṣẹ́ ẹ̀rọ sunwọ̀n sí i. Síbẹ̀síbẹ̀, ní ìwọ̀n ìgbì tí ó ju 1100 nm lọ, tí a kò bá fi ìwọ̀n agbára ìfàmọ́ra sínú àlàfo band silicon, àwòrán tí ó dínkù yóò mú kí ìfàmọ́ra pọ̀ sí i, nítorí pé àlàfo band ti silicon nígbẹ̀yìn gbẹ́yín yóò dín ìfàmọ́ra rẹ̀ kù nínú ìmọ́lẹ̀ gígùn-ìgbì. Nítorí náà, láti fa ìwọ̀n ìgbì tí ó ní ìmọ̀lára ti àwọn ẹ̀rọ tí ó da lórí silicon àti tí ó bá silicon mu gùn sí i, ó ṣe pàtàkì láti mú kí ìfàmọ́ra photon pọ̀ sí i nínú àlàfo band náà nígbà tí ó ń dín àwòrán dada silicon kù ní àkókò kan náà.
Ní ìparí ọdún 1990, Ọ̀jọ̀gbọ́n Eric Mazur àti àwọn mìíràn ní Harvard University gba ohun èlò tuntun kan—silikoni dúdú—nígbà tí wọ́n ń ṣe ìwádìí lórí ìbáṣepọ̀ àwọn lesa femtosecond pẹ̀lú ohun èlò, gẹ́gẹ́ bí a ṣe fihàn ní Àwòrán 1. Nígbà tí wọ́n ń kẹ́kọ̀ọ́ nípa àwọn ohun ìní photoelectric ti silikoni dúdú, Eric Mazur àti àwọn ẹlẹgbẹ́ rẹ̀ yà lẹ́nu láti ṣàwárí pé ohun èlò silikoni onípele kékeré yìí ní àwọn ohun ìní photoelectric àrà ọ̀tọ̀. Ó ń gba gbogbo ìmọ́lẹ̀ ní ìwọ̀n ultraviolet àti infrared tó sún mọ́ (0.25–2.5 μm), ó ń fi àwọn ànímọ́ ìmọ́lẹ̀ tó hàn gbangba àti tó sún mọ́ infrared tó dára hàn àti àwọn ohun ìní ìtújáde pápá tó dára. Àwárí yìí fa ìmọ̀lára nínú ilé iṣẹ́ semiconductor, pẹ̀lú àwọn ìwé ìròyìn pàtàkì tó ń jà láti ròyìn nípa rẹ̀. Ní ọdún 1999, àwọn ìwé ìròyìn Scientific American and Discover, ní ọdún 2000, ní ẹ̀ka ìmọ̀ sáyẹ́ǹsì Los Angeles Times, àti ní ọdún 2001, ìwé ìròyìn New Scientist gbogbo tẹ̀ àwọn àpilẹ̀kọ kan jáde tí wọ́n ń sọ̀rọ̀ nípa àwárí silikoni dúdú àti àwọn ohun èlò tó ṣeé lò, wọ́n gbàgbọ́ pé ó ní ìníyelórí tó lágbára nínú àwọn pápá bíi sensing remote, optical communications, àti microelectronics.
Lọ́wọ́lọ́wọ́, T. Samet láti ilẹ̀ Faransé, Anoife M. Moloney láti Ireland, Zhao Li láti Fudan University ní China, àti Men Haining láti Chinese Academy of Sciences ti ṣe ìwádìí gbígbòòrò lórí black silicone wọ́n sì ti ṣe àṣeyọrí àkọ́bẹ̀rẹ̀. SiOnyx, ilé-iṣẹ́ kan ní Massachusetts, USA, ti kó $11 mílíọ̀nù jọ ní owó ìṣòwò láti ṣiṣẹ́ gẹ́gẹ́ bí pẹpẹ ìdàgbàsókè ìmọ̀-ẹ̀rọ fún àwọn ilé-iṣẹ́ mìíràn, ó sì ti bẹ̀rẹ̀ sí í ṣe iṣẹ́ ìṣòwò ti black silicon wafers tí a fi sensọ ṣe, tí ó ń múra láti lo àwọn ọjà tí a ti parí nínú àwọn ètò àwòrán infrared ìran tí ń bọ̀. Stephen Saylor, Olórí Àgbà ti SiOnyx, sọ pé owó tí ó rẹlẹ̀ àti àwọn àǹfààní ìmọ̀lára gíga ti ìmọ̀-ẹ̀rọ black silicone yóò fa àfiyèsí àwọn ilé-iṣẹ́ tí wọ́n dojúkọ ìwádìí àti ọjà àwòrán ìṣègùn. Ní ọjọ́ iwájú, ó tilẹ̀ lè wọ ọjà kámẹ́rà oní-nọ́ńbà àti kámẹ́rà oní-nọ́ńbà tí ó tó bílíọ̀nù dọ́là. SiOnyx náà ń ṣe àyẹ̀wò pẹ̀lú àwọn ohun-ìní photovoltaic ti dúdú silicon, ó sì ṣeéṣe kí ó jẹ́ pésilikoni dúdúa ó lò ó nínú àwọn sẹ́ẹ̀lì oòrùn ní ọjọ́ iwájú. 1. Ìlànà Ìṣẹ̀dá ti Silikoni Dúdú
1.1 Ilana Imurasilẹ
A máa ń fi trichloroethylene, acetone, àti methanol fọ àwọn wáfárì sílíkálì kan ṣoṣo ní ìtẹ̀léra, lẹ́yìn náà a ó gbé wọn sí orí ìpele àfojúsùn onípele mẹ́ta nínú yàrá afẹ́fẹ́. Ìtẹ̀lé ìsàlẹ̀ yàrá afẹ́fẹ́ náà kéré sí 1.3 × 10⁻² Pa. Gáàsì tí ń ṣiṣẹ́ lè jẹ́ SF₆, Cl₂, N₂, afẹ́fẹ́, H₂S, H₂, SiH₄, àti bẹ́ẹ̀ bẹ́ẹ̀ lọ, pẹ̀lú ìtẹ̀lé iṣẹ́ ti 6.7 × 10⁴ Pa. Ní ọ̀nà mìíràn, a lè lo àyíká afẹ́fẹ́, tàbí a lè fi àwọn lulú elemental ti S, Se, tàbí Te bo ojú silíkónì nínú afẹ́fẹ́. A tún lè fi omi rì ìpele àfojúsùn náà sínú omi. Àwọn ìlù Femtosecond (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) tí a ṣe láti ọwọ́ amplifier regenerative laser Ti:sapphire ni a fi lẹ́nsì kan ṣe àfihàn wọn, a sì fi ìmọ́lẹ̀ wọn hàn wọ́n ní ìpele gígùn sí ojú silikoni (agbára ìjáde laser ni a ń ṣàkóso láti ọwọ́ attenuator, èyí tí ó ní àwo ìgbì-ìgbì-apá kan àti polarizer). Nípa gbígbé ìpele àfojúsùn láti wo ojú silikoni pẹ̀lú àmì lesa, a lè rí ohun èlò silikoni dúdú tí ó tóbi. Yíyípadà ijinna láàárín lẹ́nsì àti wafer silikoni le ṣe àtúnṣe iwọn ojú ìmọ́lẹ̀ tí a tan ìmọ́lẹ̀ sí ojú silikoni, nípa bẹ́ẹ̀ yíyípadà ojú lesa; nígbà tí ìwọ̀n ojú náà bá dúró déédéé, yíyípadà ìyára ìgbésẹ̀ ti ìpele àfojúsùn le ṣe àtúnṣe iye àwọn ìlù tí a tan ìmọ́lẹ̀ sí agbègbè ojú silikoni kan. Gaasi tí ń ṣiṣẹ́ ní ipa pàtàkì lórí ìrísí ojú silikoni. Nígbà tí gaasi tí ń ṣiṣẹ́ bá dúró déédéé, yíyípadà ojú lesa àti iye àwọn ìlù tí a gbà fún agbègbè ojú kan le ṣàkóso gíga, ìpíndọ́gba apá, àti àlàfo àwọn ìpele kékeré.
1.2 Àwọn Ànímọ́ Oníkrókìtì
Lẹ́yìn ìtànṣán lésà femtosecond, ojú sílíkálì tó mọ́ tónítóní ní ìpilẹ̀ṣẹ̀ fi àwọn ìrísí kọ́nọ́nì kékeré tí wọ́n ń ṣètò déédéé hàn. Àwọn òkè kọ́nọ́nì wà lórí ìpele kan náà pẹ̀lú ojú sílíkónì tí kò ní ìtànṣán. Àwòrán ìrísí kọ́nọ́nì náà ní í ṣe pẹ̀lú gáàsì tí ń ṣiṣẹ́, gẹ́gẹ́ bí a ṣe fihàn ní Àwòrán 2, níbi tí àwọn ìrísí kọ́nọ́nì tí a fihàn nínú (a), (b), àti (c) ti ṣẹ̀dá ní SF₆, S, àti N₂ afẹ́fẹ́, lẹ́sẹẹsẹ. Síbẹ̀síbẹ̀, ìtọ́sọ́nà àwọn òkè kọ́nọ́nì náà kò ní gáàsì, ó sì máa ń tọ́ka sí ìtọ́sọ́nà ìṣẹ̀lẹ̀ lésà, kò ní ipa lórí agbára ìwalẹ̀, kò sì ní ipa lórí irú dókítà, ìdènà, àti ìtọ́sọ́nà kíndìrísí ti sílíkónì kíndìrísí; àwọn ìpìlẹ̀ kọ́nọ́nì náà kò ní ìbáramu, pẹ̀lú ìpele kúkúrú wọn tí ó jọra sí ìtọ́sọ́nà lésà. Àwọn ìrísí kọ́nọ́nì tí a ṣẹ̀dá nínú afẹ́fẹ́ ni ó ṣòro jùlọ, àwọn ojú wọn sì ní àwọn nanostructures dendritic tí ó túbọ̀ dára jùlọ ti 10–100 nm.
Bí agbára lésà bá ṣe pọ̀ tó, tí iye ìlù sì bá pọ̀ tó, bẹ́ẹ̀ náà ni àwọn ẹ̀yà kọ́ńsónì tó ga jù àti tó gbòòrò yóò ṣe pọ̀ sí i. Nínú gaasi SF6, gíga h àti àlàfo d ti àwọn ẹ̀yà kọ́ńsónì ní ìbáṣepọ̀ tí kò ní ìlà, èyí tí a lè fihàn ní ìwọ̀n h∝dp, níbi tí p=2.4±0.1; gíga h àti àlàfo d méjèèjì máa ń pọ̀ sí i ní pàtàkì pẹ̀lú agbára lésà tó ń pọ̀ sí i. Nígbà tí agbára lésà bá pọ̀ sí i láti 5 kJ/m² sí 10 kJ/m², àlàfo d máa ń pọ̀ sí i ní ìgbà mẹ́ta, tí a sì bá ìbáṣepọ̀ láàrín h àti d mu, gíga h máa ń pọ̀ sí i ní ìgbà méjìlá.
Lẹ́yìn tí a bá ti fi ooru gbígbóná sí i (1200 K, wákàtí 3) nínú afẹ́fẹ́, àwọn ìrísí onígun mẹ́rin náàsilikoni dúdúkò yípadà ní pàtàkì, ṣùgbọ́n àwọn nanostructure dendritic 10–100 nm lórí ojú náà dínkù gidigidi. Ìṣàyẹ̀wò ion channeling spectroscopy fihàn pé àrùn náà lórí ojú conical dínkù lẹ́yìn annealing, ṣùgbọ́n ọ̀pọ̀lọpọ̀ àwọn ètò tí ó ní ìṣòro kò yípadà lábẹ́ àwọn ipò annealing wọ̀nyí.
1.3 Ọ̀nà Ìṣẹ̀dá
Lọ́wọ́lọ́wọ́, ìlànà ìṣẹ̀dá silicon dúdú kò ṣe kedere. Síbẹ̀síbẹ̀, Eric Mazur àti àwọn ẹlẹgbẹ́ rẹ̀ sọ pé, ní ìbámu pẹ̀lú ìyípadà nínú ìrísí microstructure ojú silicon pẹ̀lú afẹ́fẹ́ iṣẹ́, lábẹ́ ìṣíṣẹ́ àwọn laser femtosecond gíga, ìṣesí kẹ́míkà kan wà láàrín gáàsì àti ojú silicon crystalline, èyí tí ó jẹ́ kí ojú silicon náà jẹ́ èyí tí àwọn gáàsì kan lè gé, tí ó sì ń ṣe àwọn cones dídán. Eric Mazur àti àwọn ẹlẹgbẹ́ rẹ̀ sọ pé àwọn ìlànà ti ara àti kẹ́míkà ti ìṣẹ̀dá microstructure ojú silicon jẹ́ sí: yíyọ́ àti ìyọkúrò ti substrate silicon tí àwọn pulses laser gíga-fluence fà; fífẹ́ ti substrate silicon nípasẹ̀ àwọn ions àti àwọn patikulu reactive tí pápá laser alágbára ń mú jáde; àti àtúntò ti apá ablated ti silicon substrate.
Àwọn ìrísí kọ́ńsóníkì lórí ojú silikoni ni a ṣẹ̀dá láìsí ìbòjú. MY Shen àti àwọn ẹlẹgbẹ́ rẹ̀ so àwọ̀n bàbà onígbàfẹ́ 2 μm mọ́ ojú silikoni gẹ́gẹ́ bí ìbòjú, lẹ́yìn náà wọ́n fi iná sí wafer silikoni nínú gaasi SF6 pẹ̀lú lésà femtosecond. Wọ́n gba ìrísí kọ́ńsóníkì tí a ṣètò déédéé lórí ojú silikoni, tí ó bá ìlànà ìbòjú mu (wo Àwòrán 4). Ìwọ̀n ihò ìbòjú náà ní ipa lórí ìṣètò àwọn ìrísí kọ́ńsóníkì náà. Ìyàtọ̀ nínú lésà tí ó wáyé nípasẹ̀ àwọn ihò ìbòjú náà ń fa ìpínkiri agbára lésà tí kò dọ́gba lórí ojú silikoni, èyí tí ó ń yọrí sí ìpínkiri iwọn otutu ìgbàlódé lórí ojú silikoni. Èyí nígbẹ̀yìn gbẹ́yín fipá mú kí ìrísí ìrísí dáadáá sí orí ojú silikoni.