एक क्रांतिकारक नवीन पदार्थ – ब्लॅक सिलिकॉन
ब्लॅक सिलिकॉन हा उत्कृष्ट ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुणधर्म असलेला एक नवीन प्रकारचा सिलिकॉन पदार्थ आहे. हा लेख अलिकडच्या वर्षांत एरिक माझूर आणि इतर संशोधकांनी ब्लॅक सिलिकॉनवर केलेल्या संशोधन कार्याचा सारांश देतो, तसेच ब्लॅक सिलिकॉनची तयारी आणि निर्मिती प्रक्रिया, आणि त्याचे शोषण, दीप्ती, क्षेत्र उत्सर्जन आणि वर्णक्रमीय प्रतिसाद यांसारखे गुणधर्म तपशीलवार स्पष्ट करतो. यात इन्फ्रारेड डिटेक्टर, सौर पेशी आणि फ्लॅट-पॅनल डिस्प्लेमधील ब्लॅक सिलिकॉनच्या महत्त्वाच्या संभाव्य उपयोगांवरही प्रकाश टाकला आहे.
स्फटिकमय सिलिकॉनचा वापर सेमीकंडक्टर उद्योगात त्याच्या शुद्धीकरणाची सुलभता, डोपिंगची सुलभता आणि उच्च तापमान प्रतिरोध यांसारख्या फायद्यांमुळे मोठ्या प्रमाणावर केला जातो. तथापि, त्याचे अनेक तोटे देखील आहेत, जसे की त्याच्या पृष्ठभागावर दृश्यमान आणि अवरक्त प्रकाशाचे उच्च परावर्तन. शिवाय, त्याच्या मोठ्या बँड गॅपमुळे,स्फटिक सिलिकॉन११०० nm पेक्षा जास्त तरंगलांबीचा प्रकाश शोषला जाऊ शकत नाही. जेव्हा आपाती प्रकाशाची तरंगलांबी ११०० nm पेक्षा जास्त असते, तेव्हा सिलिकॉन डिटेक्टरचे शोषण आणि प्रतिसाद दर मोठ्या प्रमाणात कमी होतो. या तरंगलांबी शोधण्यासाठी जर्मेनियम आणि इंडियम गॅलियम आर्सेनाइड यांसारख्या इतर पदार्थांचा वापर करणे आवश्यक आहे. तथापि, त्यांची जास्त किंमत, निकृष्ट थर्मोडायनामिक गुणधर्म आणि स्फटिकांची गुणवत्ता, तसेच सध्याच्या प्रगत सिलिकॉन प्रक्रियांशी असलेली विसंगती, सिलिकॉन-आधारित उपकरणांमध्ये त्यांच्या वापराला मर्यादित करतात. त्यामुळे, स्फटिकमय सिलिकॉनच्या पृष्ठभागाचे परावर्तन कमी करणे आणि सिलिकॉन-आधारित व सिलिकॉन-सुसंगत फोटोडिटेक्टर्सच्या शोध तरंगलांबीची श्रेणी वाढवणे, हा एक महत्त्वाचा संशोधनाचा विषय आहे.
स्फटिकमय सिलिकॉनच्या पृष्ठभागाचे परावर्तन कमी करण्यासाठी, फोटोलिथोग्राफी, रिॲक्टिव्ह आयन एचिंग आणि इलेक्ट्रोकेमिकल एचिंग यांसारख्या अनेक प्रायोगिक पद्धती आणि तंत्रांचा वापर केला गेला आहे. ही तंत्रे काही प्रमाणात स्फटिकमय सिलिकॉनच्या पृष्ठभागाची आणि पृष्ठभागाजवळील आकारविज्ञानात बदल घडवू शकतात, ज्यामुळे परावर्तन कमी होते.सिलिकॉन पृष्ठभागावरील परावर्तन. दृश्य प्रकाशाच्या श्रेणीत, परावर्तन कमी केल्याने शोषण वाढू शकते आणि उपकरणाची कार्यक्षमता सुधारू शकते. तथापि, १,१०० nm पेक्षा जास्त तरंगलांबीवर, जर सिलिकॉन बँड गॅपमध्ये शोषण ऊर्जा पातळी समाविष्ट केली नाही, तर कमी झालेले परावर्तन केवळ पारगमन वाढवते, कारण सिलिकॉनचा बँड गॅप अखेरीस दीर्घ-तरंगलांबीच्या प्रकाशाच्या शोषणाला मर्यादित करतो. म्हणून, सिलिकॉन-आधारित आणि सिलिकॉन-सुसंगत उपकरणांची संवेदनशील तरंगलांबी श्रेणी वाढवण्यासाठी, सिलिकॉनच्या पृष्ठभागावरील परावर्तन कमी करण्यासोबतच बँड गॅपमधील फोटॉन शोषण वाढवणे आवश्यक आहे.
१९९० च्या दशकाच्या उत्तरार्धात, हार्वर्ड विद्यापीठातील प्राध्यापक एरिक माझूर आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी, फेमटोसेकंद लेझर्सच्या पदार्थासोबतच्या आंतरक्रियेवरील त्यांच्या संशोधनादरम्यान, ब्लॅक सिलिकॉन नावाचा एक नवीन पदार्थ मिळवला, जसे की आकृती १ मध्ये दाखवले आहे. ब्लॅक सिलिकॉनच्या प्रकाश-विद्युत गुणधर्मांचा अभ्यास करत असताना, एरिक माझूर आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांना हे जाणून आश्चर्य वाटले की या सूक्ष्म-संरचित सिलिकॉन पदार्थामध्ये अद्वितीय प्रकाश-विद्युत गुणधर्म आहेत. तो जवळच्या अतिनील आणि जवळच्या अवरक्त श्रेणीतील (०.२५–२.५ μm) जवळजवळ सर्व प्रकाश शोषून घेतो, आणि उत्कृष्ट दृश्यमान व जवळच्या अवरक्त प्रकाशदीप्ती वैशिष्ट्ये तसेच चांगले क्षेत्र उत्सर्जन गुणधर्म दर्शवतो. या शोधाने सेमीकंडक्टर उद्योगात खळबळ उडवून दिली, आणि प्रमुख मासिके यावर वृत्त प्रसिद्ध करण्यासाठी स्पर्धा करू लागली. १९९९ मध्ये, 'सायंटिफिक अमेरिकन' आणि 'डिस्कव्हर' मासिकांनी, २००० मध्ये 'लॉस एंजेलिस टाइम्स'च्या विज्ञान विभागाने, आणि २००१ मध्ये 'न्यू सायंटिस्ट' मासिकाने, ब्लॅक सिलिकॉनच्या शोधावर आणि त्याच्या संभाव्य उपयोगांवर चर्चा करणारे विशेष लेख प्रकाशित केले. रिमोट सेन्सिंग, ऑप्टिकल कम्युनिकेशन्स आणि मायक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स यांसारख्या क्षेत्रांमध्ये त्याचे महत्त्वपूर्ण संभाव्य मूल्य असेल, असा त्यांचा विश्वास होता.
सध्या, फ्रान्समधील टी. समेट, आयर्लंडमधील अनोइफे एम. मोलोनी, चीनमधील फुदान विद्यापीठातील झाओ ली आणि चायनीज ॲकॅडमी ऑफ सायन्सेसमधील मेन हैनिंग या सर्वांनी ब्लॅक सिलिकॉनवर विस्तृत संशोधन केले आहे आणि प्राथमिक निष्कर्ष मिळवले आहेत. अमेरिकेतील मॅसॅच्युसेट्स येथील SiOnyx या कंपनीने इतर कंपन्यांसाठी तंत्रज्ञान विकास मंच म्हणून काम करण्यासाठी ११ दशलक्ष डॉलर्सचे व्हेंचर कॅपिटल उभारले आहे आणि सेन्सर-आधारित ब्लॅक सिलिकॉन वेफर्सचे व्यावसायिक उत्पादन सुरू केले आहे. तयार उत्पादने पुढील पिढीच्या इन्फ्रारेड इमेजिंग सिस्टीममध्ये वापरण्याची तयारी सुरू आहे. SiOnyx चे सीईओ स्टीफन सेलर यांनी सांगितले की, ब्लॅक सिलिकॉन तंत्रज्ञानाचे कमी खर्च आणि उच्च संवेदनशीलतेचे फायदे संशोधन आणि वैद्यकीय इमेजिंग बाजारावर लक्ष केंद्रित करणाऱ्या कंपन्यांचे लक्ष नक्कीच वेधून घेतील. भविष्यात, हे तंत्रज्ञान अब्जावधी डॉलर्सच्या डिजिटल कॅमेरा आणि कॅमकॉर्डर बाजारातही प्रवेश करू शकते. SiOnyx सध्या ब्लॅक सिलिकॉनच्या फोटोव्होल्टेइक गुणधर्मांवर प्रयोग करत आहे आणि अशी दाट शक्यता आहे की...काळा सिलिकॉनभविष्यात सौर पेशींमध्ये वापरले जाईल. १. ब्लॅक सिलिकॉनची निर्मिती प्रक्रिया
१.१ तयारीची प्रक्रिया
एक-स्फटिक सिलिकॉन वेफर्स ट्रायक्लोरोएथिलीन, ॲसिटोन आणि मिथेनॉलने अनुक्रमे स्वच्छ केले जातात आणि नंतर निर्वात कक्षातील त्रिमितीयरीत्या हलवता येणाऱ्या लक्ष्य मंचावर ठेवले जातात. निर्वात कक्षाचा मूळ दाब १.३ × १०⁻² पास्कलपेक्षा कमी असतो. कार्यकारी वायू म्हणून SF₆, Cl₂, N₂, हवा, H₂S, H₂, SiH₄ इत्यादी वापरता येतात, ज्याचा कार्यकारी दाब ६.७ × १०⁴ पास्कल असतो. याव्यतिरिक्त, निर्वात वातावरणाचा वापर केला जाऊ शकतो, किंवा निर्वात अवस्थेत सिलिकॉनच्या पृष्ठभागावर S, Se, किंवा Te च्या मूलद्रव्यीय चूर्णांचा लेप दिला जाऊ शकतो. लक्ष्य मंच पाण्यातही बुडवला जाऊ शकतो. टीआय:सफायर लेझर रिजनरेटिव्ह अँप्लिफायरद्वारे निर्माण केलेले फेमटोसेकंद पल्सेस (८०० एनएम, १०० एफएस, ५०० मायक्रोजूल, १ किलोहर्ट्झ) एका लेन्सद्वारे केंद्रित केले जातात आणि सिलिकॉनच्या पृष्ठभागावर लंबवतपणे टाकले जातात (लेझरची आउटपुट ऊर्जा एका अटिन्युएटरद्वारे नियंत्रित केली जाते, ज्यामध्ये एक हाफ-वेव्ह प्लेट आणि एक पोलरायझर यांचा समावेश असतो). लेझर स्पॉटने सिलिकॉन पृष्ठभाग स्कॅन करण्यासाठी टार्गेट स्टेज हलवून, मोठ्या क्षेत्रावरील ब्लॅक सिलिकॉन मटेरियल मिळवता येते. लेन्स आणि सिलिकॉन वेफरमधील अंतर बदलून, सिलिकॉन पृष्ठभागावर पडणाऱ्या प्रकाश स्पॉटचा आकार समायोजित करता येतो, ज्यामुळे लेझर फ्लुएन्स बदलता येतो; जेव्हा स्पॉटचा आकार स्थिर असतो, तेव्हा टार्गेट स्टेजच्या हालचालीचा वेग बदलून सिलिकॉन पृष्ठभागाच्या एकक क्षेत्रावर पडणाऱ्या पल्सेसची संख्या समायोजित करता येते. कार्यरत वायू सिलिकॉन पृष्ठभागाच्या सूक्ष्म संरचनेच्या आकारावर लक्षणीय परिणाम करतो. जेव्हा कार्यरत वायू स्थिर असतो, तेव्हा लेझर फ्लुएन्स आणि प्रति एकक क्षेत्रफळात मिळणाऱ्या पल्सची संख्या बदलून सूक्ष्म संरचनेची उंची, गुणोत्तर आणि अंतर नियंत्रित करता येते.
१.२ सूक्ष्मदर्शकीय वैशिष्ट्ये
फेमटोसेकंद लेझर किरणांनंतर, मूळतः गुळगुळीत असलेल्या स्फटिकमय सिलिकॉनच्या पृष्ठभागावर जवळजवळ नियमितपणे मांडलेल्या लहान शंकूच्या आकाराच्या रचनांची एक मालिका दिसून येते. या शंकूंची टोके सभोवतालच्या अकिरणोत्सर्जित सिलिकॉन पृष्ठभागाच्याच पातळीवर असतात. शंकूच्या आकाराच्या रचनेचा आकार कार्यरत वायूशी संबंधित असतो, जसे की आकृती २ मध्ये दाखवले आहे, जिथे (a), (b), आणि (c) मध्ये दाखवलेल्या शंकूच्या आकाराच्या रचना अनुक्रमे SF₆, S, आणि N₂ वातावरणात तयार होतात. तथापि, शंकूच्या टोकांची दिशा वायूवर अवलंबून नसते आणि ती नेहमी लेझरच्या आपतन दिशेकडे असते, गुरुत्वाकर्षणाचा त्यावर परिणाम होत नाही, तसेच ती स्फटिकमय सिलिकॉनच्या डोपिंगचा प्रकार, रोधकता आणि स्फटिक अभिमुखतेवरही अवलंबून नसते; शंकूचे तळ असममित असतात, आणि त्यांचा लहान अक्ष लेझर ध्रुवीकरणाच्या दिशेला समांतर असतो. हवेत तयार झालेल्या शंकूच्या आकाराच्या रचना सर्वात खडबडीत असतात, आणि त्यांचे पृष्ठभाग १०-१०० नॅनोमीटरच्या आणखी सूक्ष्म डेंड्रिटिक नॅनोसंरचनांनी आच्छादलेले असतात.
लेझर फ्लुएन्स जितका जास्त असतो आणि पल्सेसची संख्या जितकी जास्त असते, तितक्या शंकूच्या आकाराच्या रचना उंच आणि रुंद होतात. SF6 वायूमध्ये, शंकूच्या आकाराच्या रचनांची उंची h आणि अंतर d यांच्यात एक अरेखीय संबंध असतो, जो अंदाजे h∝dp असा व्यक्त केला जाऊ शकतो, जिथे p=2.4±0.1; लेझर फ्लुएन्स वाढल्याने उंची h आणि अंतर d दोन्हीमध्ये लक्षणीय वाढ होते. जेव्हा फ्लुएन्स 5 kJ/m² पासून 10 kJ/m² पर्यंत वाढतो, तेव्हा अंतर d 3 पटीने वाढते, आणि h व d यांच्यातील संबंधासह, उंची h 12 पटीने वाढते.
निर्वातमध्ये उच्च-तापमान ॲनीलिंग (१२०० केल्विन, ३ तास) केल्यानंतर, शंकूच्या आकाराच्या संरचनाकाळा सिलिकॉनलक्षणीय बदल झाला नाही, परंतु पृष्ठभागावरील १०-१०० एनएम आकाराच्या डेंड्रिटिक नॅनोसंरचना मोठ्या प्रमाणात कमी झाल्या. आयन चॅनेलिंग स्पेक्ट्रोस्कोपीने दाखवले की ॲनीलिंगनंतर शंकूच्या आकाराच्या पृष्ठभागावरील अव्यवस्था कमी झाली, परंतु या ॲनीलिंगच्या परिस्थितीत बहुतेक अव्यवस्थित संरचनांमध्ये बदल झाला नाही.
१.३ निर्मिती यंत्रणा
सध्या, ब्लॅक सिलिकॉनच्या निर्मितीची प्रक्रिया स्पष्ट नाही. तथापि, एरिक माझूर आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी, कार्यरत वातावरणानुसार सिलिकॉनच्या पृष्ठभागाच्या सूक्ष्म संरचनेच्या आकारात होणाऱ्या बदलाच्या आधारावर, असा अंदाज वर्तवला की, उच्च-तीव्रतेच्या फेमटोसेकंद लेझरच्या उत्तेजनाखाली वायू आणि स्फटिकमय सिलिकॉन पृष्ठभागामध्ये एक रासायनिक अभिक्रिया होते, ज्यामुळे विशिष्ट वायूंद्वारे सिलिकॉन पृष्ठभागाचे क्षरण होऊन तीक्ष्ण शंकू तयार होतात. एरिक माझूर आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी सिलिकॉन पृष्ठभागाच्या सूक्ष्म संरचनेच्या निर्मितीमागील भौतिक आणि रासायनिक प्रक्रियांचे श्रेय पुढील गोष्टींना दिले: उच्च-फ्लुएन्स लेझर स्पंदांमुळे सिलिकॉन सब्सट्रेटचे वितळणे आणि क्षरण; तीव्र लेझर क्षेत्रामुळे निर्माण झालेल्या क्रियाशील आयन आणि कणांद्वारे सिलिकॉन सब्सट्रेटचे क्षरण; आणि सब्सट्रेट सिलिकॉनच्या क्षरण झालेल्या भागाचे पुन:स्फटिकीकरण.
सिलिकॉनच्या पृष्ठभागावरील शंकूच्या आकाराच्या रचना आपोआप तयार होतात आणि मास्कशिवाय एक अर्ध-नियमित रचना तयार केली जाऊ शकते. एम. वाय. शेन आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी मास्क म्हणून सिलिकॉनच्या पृष्ठभागावर २ μm जाडीची ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपची तांब्याची जाळी लावली आणि नंतर SF6 वायूमध्ये असलेल्या सिलिकॉन वेफरवर फेमटोसेकंद लेसरने किरणोत्सर्ग केला. त्यांना सिलिकॉनच्या पृष्ठभागावर शंकूच्या आकाराच्या रचनांची एक अतिशय नियमितपणे मांडलेली रचना मिळाली, जी मास्कच्या नमुन्याशी सुसंगत होती (आकृती ४ पहा). मास्कच्या छिद्रांच्या आकाराचा शंकूच्या आकाराच्या रचनांच्या मांडणीवर लक्षणीय परिणाम होतो. मास्कच्या छिद्रांद्वारे आपाती लेसरच्या विवर्तनामुळे सिलिकॉनच्या पृष्ठभागावर लेसर ऊर्जेचे असमान वितरण होते, ज्यामुळे सिलिकॉनच्या पृष्ठभागावर नियतकालिक तापमान वितरण होते. यामुळे अखेरीस सिलिकॉनच्या पृष्ठभागावरील रचनांची रचना नियमित होण्यास भाग पडते.