Materi Anyar sing Revolusioner – Silikon Ireng
Silikon ireng minangka jinis bahan silikon anyar kanthi sipat optoelektronik sing apik banget. Artikel iki ngringkes karya riset babagan silikon ireng dening Eric Mazur lan peneliti liyane ing taun-taun pungkasan, sing njlentrehake mekanisme persiapan lan pembentukan silikon ireng, uga sipat-sipat kasebut kayata panyerepan, luminesensi, emisi medan, lan respon spektral. Iki uga nuduhake aplikasi potensial penting silikon ireng ing detektor inframerah, sel surya, lan layar panel datar.
Silikon kristal digunakake sacara wiyar ing industri semikonduktor amarga kaluwihane kayata gampang dimurnèkaké, gampang didoping, lan tahan suhu dhuwur. Nanging, uga nduweni akeh kekurangan, kayata reflektivitas cahya sing katon lan inframerah sing dhuwur ing permukaane. Salajengipun, amarga celah pita sing gedhe,silikon kristalinora bisa nyerep cahya kanthi dawa gelombang luwih saka 1100 nm. Nalika dawa gelombang cahya sing teka luwih saka 1100 nm, tingkat panyerepan lan respon detektor silikon bakal suda banget. Bahan liyane kayata germanium lan indium gallium arsenide kudu digunakake kanggo ndeteksi dawa gelombang kasebut. Nanging, biaya sing larang, sifat termodinamika lan kualitas kristal sing kurang apik, lan ketidakcocokan karo proses silikon diwasa sing wis ana mbatesi aplikasi kasebut ing piranti berbasis silikon. Mulane, nyuda pantulan permukaan silikon kristal lan ngluwihi rentang dawa gelombang deteksi fotodetektor berbasis silikon lan kompatibel silikon tetep dadi topik riset sing panas.
Kanggo ngurangi pantulan permukaan silikon kristalin, akeh metode lan teknik eksperimental sing wis digunakake, kayata fotolitografi, etsa ion reaktif, lan etsa elektrokimia. Teknik-teknik iki, nganti sawetara tingkat, bisa ngganti morfologi permukaan lan cedhak permukaan silikon kristalin, saengga ngurangi.silikon Pantulan lumahing. Ing rentang cahya sing katon, nyuda pantulan bisa nambah panyerepan lan ningkatake efisiensi piranti. Nanging, ing dawa gelombang sing ngluwihi 1100 nm, yen ora ana tingkat energi panyerepan sing dilebokake ing celah pita silikon, pantulan sing suda mung nyebabake tambah transmisi, amarga celah pita silikon pungkasane mbatesi panyerepan cahya dawa gelombang. Mulane, kanggo ngluwihi rentang dawa gelombang sensitif piranti berbasis silikon lan sing kompatibel karo silikon, perlu nambah panyerepan foton ing celah pita nalika bebarengan nyuda pantulan lumahing silikon.
Ing pungkasan taun 1990-an, Profesor Eric Mazur lan liya-liyane ing Universitas Harvard entuk materi anyar—silikon ireng—sajrone riset babagan interaksi laser femtosecond karo materi, kaya sing dituduhake ing Gambar 1. Nalika nyinaoni sifat fotoelektrik silikon ireng, Eric Mazur lan kanca-kancane kaget nemokake manawa materi silikon mikrostruktur iki nduweni sifat fotoelektrik sing unik. Bahan iki nyerep meh kabeh cahya ing kisaran cedhak-ultraviolet lan cedhak-infrared (0,25–2,5 μm), nuduhake karakteristik luminesensi sing katon lan cedhak-infrared sing apik banget lan sifat emisi medan sing apik. Panemon iki nyebabake sensasi ing industri semikonduktor, kanthi majalah-majalah utama sing saingan kanggo nglaporake. Ing taun 1999, majalah Scientific American lan Discover, ing taun 2000 bagean sains Los Angeles Times, lan ing taun 2001 majalah New Scientist kabeh nerbitake artikel fitur sing mbahas panemuan silikon ireng lan aplikasi potensiale, percaya yen nduweni nilai potensial sing signifikan ing bidang kayata penginderaan jarak jauh, komunikasi optik, lan mikroelektronika.
Saiki, T. Samet saka Prancis, Anoife M. Moloney saka Irlandia, Zhao Li saka Universitas Fudan ing Tiongkok, lan Men Haining saka Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok wis nindakake riset ekstensif babagan silikon ireng lan entuk asil awal. SiOnyx, perusahaan ing Massachusetts, AS, malah wis ngumpulake modal ventura $11 yuta kanggo dadi platform pangembangan teknologi kanggo perusahaan liyane, lan wis miwiti produksi komersial wafer silikon ireng berbasis sensor, nyiapake nggunakake produk rampung ing sistem pencitraan inframerah generasi sabanjure. Stephen Saylor, CEO SiOnyx, nyatakake yen kaluwihan teknologi silikon ireng sing murah lan sensitivitas dhuwur mesthi bakal narik kawigaten perusahaan sing fokus ing pasar riset lan pencitraan medis. Ing mangsa ngarep, bisa uga mlebu pasar kamera digital lan camcorder multi-milyar dolar. SiOnyx uga saiki lagi nyoba sifat fotovoltaik silikon ireng, lan kemungkinan gedhe ...silikon irengbakal digunakake ing sel surya ing mangsa ngarep. 1. Proses Pembentukan Silikon Ireng
1.1 Proses Persiapan
Wafer silikon kristal tunggal diresiki kanthi runtut nganggo trikloroetilena, aseton, lan metanol, banjur dilebokake ing tahap target sing bisa dipindhah telung dimensi ing ruang vakum. Tekanan dasar ruang vakum kurang saka 1,3 × 10⁻² Pa. Gas kerjane bisa awujud SF₆, Cl₂, N₂, udara, H₂S, H₂, SiH₄, lan liya-liyane, kanthi tekanan kerja 6,7 × 10⁴ Pa. Utawa, lingkungan vakum bisa digunakake, utawa bubuk unsur S, Se, utawa Te bisa dilapisi ing permukaan silikon ing ruang vakum. Tahap target uga bisa dicelupake ing banyu. Pulsa femtosecond (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) sing diasilake dening penguat regeneratif laser Ti:safir difokusake dening lensa lan disinari kanthi tegak lurus ing permukaan silikon (energi output laser dikontrol dening attenuator, sing kasusun saka piring setengah gelombang lan polarisator). Kanthi mindhah tahap target kanggo mindhai permukaan silikon nganggo titik laser, materi silikon ireng area gedhe bisa dipikolehi. Ngganti jarak antarane lensa lan wafer silikon bisa nyetel ukuran titik cahya sing disinari ing permukaan silikon, saengga ngganti fluks laser; nalika ukuran titik tetep, ngganti kecepatan obah tahap target bisa nyetel jumlah pulsa sing disinari ing area unit permukaan silikon. Gas kerja mengaruhi bentuk mikrostruktur permukaan silikon kanthi signifikan. Nalika gas kerja tetep, ngganti fluks laser lan jumlah pulsa sing ditampa saben area unit bisa ngontrol dhuwur, rasio aspek, lan jarak mikrostruktur.
1.2 Karakteristik Mikroskopis
Sawisé iradiasi laser femtosecond, permukaan silikon kristalin sing asliné alus nuduhaké susunan struktur kerucut cilik sing disusun kanthi teratur. Pucuk kerucut ana ing bidang sing padha karo permukaan silikon sing ora diiradiasi ing sakubengé. Wangun struktur kerucut ana hubungane karo gas sing digunakake, kaya sing dituduhake ing Gambar 2, ing ngendi struktur kerucut sing dituduhake ing (a), (b), lan (c) dibentuk ing atmosfer SF₆, S, lan N₂. Nanging, arah pucuk kerucut ora gumantung saka gas lan tansah nuduhake arah kedadeyan laser, ora kena pengaruh gravitasi, lan uga ora gumantung saka jinis doping, resistivitas, lan orientasi kristal silikon kristalin; basis kerucut asimetris, kanthi sumbu cendhak sejajar karo arah polarisasi laser. Struktur kerucut sing dibentuk ing udhara minangka sing paling kasar, lan permukaané ditutupi struktur nano dendritik sing luwih alus 10-100 nm.
Saya dhuwur fluks laser lan saya akeh jumlah pulsa, saya dhuwur lan amba struktur kerucut kasebut. Ing gas SF6, dhuwur h lan jarak d saka struktur kerucut duwe hubungan nonlinier, sing bisa kira-kira ditulis minangka h∝dp, ing ngendi p = 2,4 ± 0,1; dhuwur h lan jarak d mundhak sacara signifikan kanthi nambah fluks laser. Nalika fluks mundhak saka 5 kJ/m² dadi 10 kJ/m², jarak d mundhak kaping 3, lan digabungake karo hubungan antarane h lan d, dhuwur h mundhak kaping 12.
Sawisé annealing suhu dhuwur (1200 K, 3 jam) ing vakum, struktur kerucut sakasilikon irengora owah sacara signifikan, nanging struktur nano dendritik 10-100 nm ing lumahing wis suda banget. Spektroskopi penyaluran ion nuduhake yen kelainan ing lumahing kerucut mudhun sawise annealing, nanging umume struktur sing ora teratur ora owah ing kahanan annealing iki.
1.3 Mekanisme Pembentukan
Saiki, mekanisme pembentukan silikon ireng durung jelas. Nanging, Eric Mazur et al. berspekulasi, adhedhasar owah-owahan bentuk mikrostruktur permukaan silikon karo atmosfer kerja, yen ing sangisore stimulasi laser femtosecond intensitas dhuwur, ana reaksi kimia antarane gas lan permukaan silikon kristalin, sing ngidini permukaan silikon diukir dening gas-gas tartamtu, mbentuk kerucut sing tajem. Eric Mazur et al. ngubungake mekanisme fisik lan kimia pembentukan mikrostruktur permukaan silikon karo: leleh lan ablasi substrat silikon sing disebabake dening pulsa laser fluks dhuwur; etsa substrat silikon dening ion reaktif lan partikel sing diasilake dening medan laser sing kuwat; lan rekristalisasi bagean silikon substrat sing di-ablasi.
Struktur kerucut ing lumahing silikon kawangun kanthi spontan, lan susunan kuasi-reguler bisa kawangun tanpa topeng. MY Shen et al. masang jaring tembaga mikroskop elektron transmisi kandel 2 μm ing lumahing silikon minangka topeng, banjur nyinari wafer silikon ing gas SF6 nganggo laser femtosecond. Dheweke entuk susunan struktur kerucut sing teratur banget ing lumahing silikon, sing konsisten karo pola topeng (waca Gambar 4). Ukuran aperture topeng mengaruhi susunan struktur kerucut kanthi signifikan. Difraksi laser sing teka dening aperture topeng nyebabake distribusi energi laser sing ora seragam ing lumahing silikon, sing nyebabake distribusi suhu periodik ing lumahing silikon. Iki pungkasane meksa susunan struktur lumahing silikon dadi teratur.