Materia Nova Revolutionaria – Silicium Nigrum
Silicium nigrum est novum genus materiae silicii praeclaris proprietatibus optoelectronicis praeditum. Hic articulus investigationes de silicio nigro ab Erico Mazur aliisque investigatoribus annis proximis peractas summatim exponit, rationem praeparationis et formationis silicii nigri, necnon proprietates eius ut absorptionem, luminescentiam, emissionem campi, et responsum spectralem enarrat. Etiam applicationes potentiales magni momenti silicii nigri in detectoribus infrarubris, cellulis solaribus, et ostensionibus planis indicat.
Silicium crystallinum late in industria semiconductorum adhibetur propter commoda sua, ut facilitatem purificationis, facilitatem dopationis, et resistentiam altae temperaturae. Attamen multa etiam incommoda habet, ut magnam reflectivitatem lucis visibilis et infrarubrae in superficie sua. Praeterea, propter magnum intervallum zonae (vel "band hiatus"),silicium crystallinumLucem cum longitudinibus undarum maioribus quam 1100 nm absorbere non potest. Cum longitudo undae lucis incidentis maior est quam 1100 nm, absorptio et responsio detectorum silicii magnopere minuuntur. Aliae materiae, ut germanium et indium gallium arsenidum, ad has longitudines undarum detegendas adhibendae sunt. Attamen, sumptus altus, proprietates thermodynamicae et qualitas crystalli malae, et incompatibilitas cum processibus silicii maturis existentibus applicationem eorum in instrumentis silicii fundatis limitant. Ergo, reflexionis superficierum silicii crystallini reductio et ambitus longitudinum undarum detectionis photodetectorum silicii fundatorum et silicii compatibilium amplificatio argumentum investigationis calidum manet.
Ad reflexionem superficierum silicii crystallini minuendam, multae methodi et artes experimentales adhibitae sunt, ut photolithographia, corrosio ionum reactivarum, et corrosio electrochemica. Hae artes, quodammodo, morphologiam superficialem et prope superficiem silicii crystallini mutare possunt, ita reducendo...silicium Reflexio superficialis. In ambitu lucis visibilis, reflexio imminuta absorptionem augere et efficientiam instrumenti emendare potest. Attamen, ad longitudines undarum excedentes 1100 nm, si nullae energiae absorptionis in hiatum zonae silicii introducuntur, reflexio imminuta tantum ad transmissionem auctam ducit, quia hiatus zonae silicii tandem absorptionem lucis longae undae limitat. Ergo, ad amplitudinem longitudinis undae sensibilem instrumentorum silicio fundatorum et silicio compatibilium extendendam, necesse est absorptionem photonum intra hiatum zonae augere simul reflexionem superficialem silicii reducendo.
Fine decennii nonagesimi saeculi vicesimi, Professor Ericus Mazur et alii apud Universitatem Harvardianam novam materiam — silicium nigrum — adepti sunt dum investigationes suas de interactione laserum femtosecundorum cum materia, ut in Figura 1 demonstratur. Dum proprietates photoelectricas silicii nigri studebant, Ericus Mazur et collegae eius mirati sunt invenientes hanc materiam silicii microstructuratam proprietates photoelectricas singulares possidere. Fere omnem lucem in spatio ultravioleto et infrarubro proximo (0.25–2.5 μm) absorbet, excellentes proprietates luminescentiae visibilis et infrarubrae proximo et bonas proprietates emissionis campi exhibens. Haec inventio sensationem in industria semiconductorum excitavit, cum magnae ephemerides de ea certiores facerent. Anno 1999, ephemerides Scientific American et Discover, anno 2000 sectio scientifica Los Angeles Times, et anno 2001 ephemeris New Scientist omnes articulos ediderunt de inventione silicii nigri et eius applicationibus potentialibus disserentes, credentes eam valorem potentialem significantem in campis ut teledetectio, communicationes opticae, et microelectronica habere.
T. Samet ex Gallia, Anoife M. Moloney ex Hibernia, Zhao Li ex Universitate Fudan in Sinis, et Men Haining ex Academia Scientiarum Sinensi omnes investigationes amplas de silicio nigro egerunt et praeliminaria consecuti sunt. SiOnyx, societas in Massachusetta, CFA, etiam undecim miliones dollariorum in pecunia collocata collegit ut suggestum progressionis technologicae aliis societatibus fungatur, et productionem commercialem laminarum silicii nigri sensoribus fundatarum coepit, se parans ad usum productorum perfectorum in systematibus imaginum infrarubris novae generationis. Stephanus Saylor, praefectus societatis SiOnyx, affirmavit commoda pretii humilis et sensibilitatis altae technologiae silicii nigri necessario attentionem societatum in mercatibus investigationis et imaginum medicarum intentarum attrahere. In futuro, fortasse etiam mercatum camerarum digitalium et camcorderorum, multis miliardis dollariorum aestimatum, ingredietur. SiOnyx etiam nunc proprietates photovoltaicas silicii nigri experimenta facit, et valde probabile est...silicium nigrumin cellulis solaribus in futuro adhibebitur. 1. Processus formationis silicii nigri
1.1 Processus Praeparationis
Lamellae silicii monocrystallini trichloroethyleno, acetono, et methanolo successive purgantur, deinde in scaena tridimensionaliter mobili in camera vacui ponuntur. Pressio basalis camerae vacui minor est quam 1.3 × 10⁻² Pa. Gas operans potest esse SF₆, Cl₂, N₂, aer, H₂S, H₂, SiH₄, etc., cum pressione operante 6.7 × 10⁴ Pa. Aliter, ambitus vacuus adhiberi potest, vel pulveres elementales S, Se, vel Te in superficiem silicii in vacuo applicari possunt. Scaena etiam in aqua immergi potest. Impulsus femtosecundarii (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) ab amplificatore regenerativo laseris Ti:sapphiri generati, a lente focalizantur et perpendiculariter in superficiem silicii irradiantur (energia emissaria laseris ab attenuatore, qui ex lamina semi-undae et polarizatore constat, regitur). Movendo scaenam scopi ad superficiem silicii macula laseris perlustrandam, materia silicii nigra magnae areae obtineri potest. Mutando distantiam inter lentem et laminam silicii, magnitudinem maculae lucis in superficie silicii irradiatae accommodari potest, ita fluentiam laseris mutando; cum magnitudo maculae constans est, mutando celeritatem motus scaenae scopi, numerum impulsuum irradiatorum in area unitatis superficiei silicii accommodari potest. Gas operans formam microstructurae superficiei silicii significanter afficit. Cum gas operans constans est, mutando fluentiam laseris et numerum impulsuum per aream unitatis receptorum, altitudinem, rationem aspectus, et spatium microstructurarum moderari potest.
1.2 Characteres Microscopici
Post irradiationem laser femtosecundam, superficies silicii crystallini, initio levis, seriem structurarum conicarum minutarum quasi regulariter dispositarum exhibet. Summitates conorum in eodem plano sunt ac superficies silicii non irradiata circumdans. Forma structurae conicae ad gas operans refertur, ut in Figura 2 demonstratur, ubi structurae conicae in (a), (b), et (c) monstratae in atmosphaeris SF₆, S, et N₂ respective formantur. Attamen directio summitatum conorum a gas independens est et semper in directionem incidentiae laseris spectat, non a gravitate affecta, et etiam independens a genere doping, resistivitate, et orientatione crystalli silicii crystallini; bases conorum asymmetricae sunt, axe brevi parallelo directioni polarizationis laseris. Structurae conicae in aere formatae sunt asperrimae, et superficies earum nanostructuris dendriticis etiam subtilioribus 10-100 nm teguntur.
Quo maior est fluentia laseris et quo maior numerus pulsus, eo altiores et latiores structurae conicae fiunt. In gase SF6, altitudo h et spatium d structurarum conicarum relationem non linearem habent, quae approximative exprimi potest ut h∝dp, ubi p = 2.4 ± 0.1; et altitudo h et spatium d significanter augentur cum crescente fluentia laseris. Cum fluentia a 5 kJ/m² ad 10 kJ/m² crescit, spatium d ter augetur, et cum relatione inter h et d coniuncta, altitudo h duodecies crescit.
Post recoctionem altae temperaturae (1200 K, 3 h) in vacuo, structurae conicae...silicium nigrumNon significanter mutata est, sed nanostructurae dendriticae 10–100 nm in superficie magnopere redactae sunt. Spectroscopia canalizationis ionicae demonstravit perturbationem in superficie conica post recoctionem imminutam esse, sed pleraeque structurae perturbatae sub his condicionibus recoctionis non mutatae sunt.
1.3 Mechanismus Formationis
Mechanismus formationis silicii nigri in praesenti non est clarus. Attamen, Eric Mazur et al., innixi mutatione formae microstructurae superficiei silicii cum atmosphaera operante, coniecturaverunt sub stimulatione laserum femtosecundorum altae intensitatis, reactionem chemicam inter gas et superficiem silicii crystallinam fieri, quae superficiem silicii a quibusdam gasibus corrodere sinit, conos acutos formans. Eric Mazur et al. mechanismos physicos et chemicos formationis microstructurae superficiei silicii his attribuerunt: liquefactioni et ablationi substrati silicii causatae ab impulsibus laseris altae fluentiae; corrosioni substrati silicii per ionta reactiva et particulas a campo laseris valido generatas; et recrystallizationi partis ablationis substrati silicii.
Structurae conicae in superficie silicii sponte formantur, et series quasi-regularis sine larva formari potest. MY Shen et al. reticulum cupreum microscopii electronici transmissionis 2 μm crassum superficiei silicii ut larvam adfixerunt, deinde laminam silicii in gas SF6 cum lasere femtosecundo irradiaverunt. Series structurarum conicarum in superficie silicii valde regulariter dispositarum obtinuerunt, congruentem cum exemplo larvae (vide Figuram 4). Magnitudo aperturae larvae dispositionem structurarum conicarum significanter afficit. Diffractio laseris incidentis per aperturas larvae distributionem non uniformem energiae laseris in superficie silicii efficit, quae distributionem periodicam temperaturae in superficie silicii efficit. Hoc tandem seriem structurarum superficialium silicii regularem fieri cogit.