ఒక విప్లవాత్మకమైన కొత్త పదార్థం – బ్లాక్ సిలికాన్
బ్లాక్ సిలికాన్ అనేది అద్భుతమైన ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ లక్షణాలతో కూడిన ఒక కొత్త రకం సిలికాన్ పదార్థం. ఈ వ్యాసం, ఇటీవలి సంవత్సరాలలో ఎరిక్ మజూర్ మరియు ఇతర పరిశోధకులు బ్లాక్ సిలికాన్పై చేసిన పరిశోధనలను సంగ్రహిస్తూ, బ్లాక్ సిలికాన్ తయారీ మరియు నిర్మాణ యంత్రాంగాన్ని, అలాగే దాని శోషణ, ప్రకాశం, క్షేత్ర ఉద్గారం మరియు వర్ణపట ప్రతిస్పందన వంటి లక్షణాలను వివరిస్తుంది. ఇది ఇన్ఫ్రారెడ్ డిటెక్టర్లు, సౌర ఘటాలు మరియు ఫ్లాట్-ప్యానెల్ డిస్ప్లేలలో బ్లాక్ సిలికాన్ యొక్క ముఖ్యమైన సంభావ్య అనువర్తనాలను కూడా సూచిస్తుంది.
స్ఫటికాకార సిలికాన్ను సులభంగా శుద్ధి చేయడం, సులభంగా డోపింగ్ చేయడం మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రత నిరోధకత వంటి ప్రయోజనాల కారణంగా సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో విస్తృతంగా ఉపయోగిస్తారు. అయితే, దీని ఉపరితలంపై దృశ్య మరియు పరారుణ కాంతిని అధికంగా పరావర్తనం చెందించడం వంటి అనేక లోపాలు కూడా ఉన్నాయి. అంతేకాకుండా, దీని పెద్ద బ్యాండ్ గ్యాప్ కారణంగా,స్ఫటికాకార సిలికాన్1100 nm కంటే ఎక్కువ తరంగదైర్ఘ్యాలు గల కాంతిని శోషించుకోలేవు. పతన కాంతి తరంగదైర్ఘ్యం 1100 nm కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, సిలికాన్ డిటెక్టర్ల శోషణ మరియు ప్రతిస్పందన రేటు బాగా తగ్గిపోతాయి. ఈ తరంగదైర్ఘ్యాలను గుర్తించడానికి జెర్మేనియం మరియు ఇండియం గాలియం ఆర్సెనైడ్ వంటి ఇతర పదార్థాలను ఉపయోగించాలి. అయితే, వాటి అధిక ధర, పేలవమైన థర్మోడైనమిక్ లక్షణాలు మరియు క్రిస్టల్ నాణ్యత, ఇంకా ఇప్పటికే ఉన్న పరిణతి చెందిన సిలికాన్ ప్రక్రియలతో అనుకూలత లేకపోవడం వంటివి సిలికాన్ ఆధారిత పరికరాలలో వాటి అనువర్తనాన్ని పరిమితం చేస్తున్నాయి. అందువల్ల, స్ఫటికాకార సిలికాన్ ఉపరితలాల పరావర్తనాన్ని తగ్గించడం మరియు సిలికాన్ ఆధారిత, సిలికాన్-అనుకూల ఫోటోడిటెక్టర్ల గుర్తింపు తరంగదైర్ఘ్య పరిధిని విస్తరించడం అనేది ఒక ముఖ్యమైన పరిశోధనా అంశంగా మిగిలిపోయింది.
స్ఫటికాకార సిలికాన్ ఉపరితలాల ప్రతిబింబాన్ని తగ్గించడానికి, ఫోటోలిథోగ్రఫీ, రియాక్టివ్ అయాన్ ఎచింగ్ మరియు ఎలక్ట్రోకెమికల్ ఎచింగ్ వంటి అనేక ప్రయోగాత్మక పద్ధతులు మరియు సాంకేతికతలు ఉపయోగించబడ్డాయి. ఈ సాంకేతికతలు, కొంతవరకు, స్ఫటికాకార సిలికాన్ యొక్క ఉపరితలం మరియు ఉపరితలానికి సమీపంలోని స్వరూపాన్ని మార్చగలవు, తద్వారా ప్రతిబింబాన్ని తగ్గిస్తాయి.సిలికాన్ ఉపరితల పరావర్తనం. దృశ్య కాంతి పరిధిలో, పరావర్తనాన్ని తగ్గించడం వల్ల శోషణ పెరిగి, పరికర సామర్థ్యం మెరుగుపడుతుంది. అయితే, 1100 nm కంటే ఎక్కువ తరంగదైర్ఘ్యాల వద్ద, సిలికాన్ బ్యాండ్ గ్యాప్లోకి ఎటువంటి శోషణ శక్తి స్థాయిలను ప్రవేశపెట్టకపోతే, తగ్గిన పరావర్తనం కేవలం పెరిగిన ప్రసారానికి మాత్రమే దారితీస్తుంది, ఎందుకంటే సిలికాన్ యొక్క బ్యాండ్ గ్యాప్ చివరికి దీర్ఘ-తరంగదైర్ఘ్య కాంతి శోషణను పరిమితం చేస్తుంది. అందువల్ల, సిలికాన్-ఆధారిత మరియు సిలికాన్-అనుకూల పరికరాల సున్నితమైన తరంగదైర్ఘ్య పరిధిని విస్తరించడానికి, సిలికాన్ ఉపరితల పరావర్తనాన్ని ఏకకాలంలో తగ్గిస్తూ, బ్యాండ్ గ్యాప్లో ఫోటాన్ శోషణను పెంచడం అవసరం.
1990ల చివరలో, హార్వర్డ్ విశ్వవిద్యాలయంలోని ప్రొఫెసర్ ఎరిక్ మజూర్ మరియు ఇతరులు, ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్లు పదార్థంతో జరిపే పరస్పర చర్యపై పరిశోధన చేస్తున్నప్పుడు, పటం 1లో చూపిన విధంగా బ్లాక్ సిలికాన్ అనే ఒక కొత్త పదార్థాన్ని కనుగొన్నారు. బ్లాక్ సిలికాన్ యొక్క కాంతివిద్యుత్ ధర్మాలను అధ్యయనం చేస్తున్నప్పుడు, ఈ సూక్ష్మనిర్మిత సిలికాన్ పదార్థం విశిష్టమైన కాంతివిద్యుత్ ధర్మాలను కలిగి ఉండటాన్ని చూసి ఎరిక్ మజూర్ మరియు అతని సహచరులు ఆశ్చర్యపోయారు. ఇది సమీప-అతినీలలోహిత మరియు సమీప-పరారుణ పరిధిలోని (0.25–2.5 μm) దాదాపు కాంతి మొత్తాన్ని శోషించుకుంటుంది, అద్భుతమైన దృశ్య మరియు సమీప-పరారుణ కాంతి ఉద్గార లక్షణాలను మరియు మంచి క్షేత్ర ఉద్గార ధర్మాలను ప్రదర్శిస్తుంది. ఈ ఆవిష్కరణ సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో సంచలనం సృష్టించింది, దీనిపై వార్తలు ప్రచురించడానికి ప్రముఖ పత్రికలు పోటీ పడ్డాయి. 1999లో సైంటిఫిక్ అమెరికన్ మరియు డిస్కవర్ పత్రికలు, 2000లో లాస్ ఏంజిల్స్ టైమ్స్ సైన్స్ విభాగం, మరియు 2001లో న్యూ సైంటిస్ట్ పత్రిక అన్నీ బ్లాక్ సిలికాన్ ఆవిష్కరణ మరియు దాని సంభావ్య అనువర్తనాలపై ప్రత్యేక కథనాలను ప్రచురించాయి. రిమోట్ సెన్సింగ్, ఆప్టికల్ కమ్యూనికేషన్స్, మరియు మైక్రోఎలక్ట్రానిక్స్ వంటి రంగాలలో దీనికి గణనీయమైన సంభావ్య విలువ ఉందని అవి విశ్వసించాయి.
ప్రస్తుతం, ఫ్రాన్స్కు చెందిన టి. సామెట్, ఐర్లాండ్కు చెందిన అనోయిఫ్ ఎం. మొలోనీ, చైనాలోని ఫుడాన్ విశ్వవిద్యాలయానికి చెందిన జావో లీ, మరియు చైనీస్ అకాడమీ ఆఫ్ సైన్సెస్కు చెందిన మెన్ హైనింగ్ అందరూ బ్లాక్ సిలికాన్పై విస్తృతమైన పరిశోధనలు నిర్వహించి ప్రాథమిక ఫలితాలను సాధించారు. అమెరికాలోని మసాచుసెట్స్కు చెందిన SiOnyx అనే సంస్థ, ఇతర కంపెనీలకు సాంకేతిక అభివృద్ధి వేదికగా పనిచేయడానికి వెంచర్ క్యాపిటల్గా $11 మిలియన్లను సేకరించింది. అంతేకాకుండా, సెన్సార్ ఆధారిత బ్లాక్ సిలికాన్ వేఫర్ల వాణిజ్య ఉత్పత్తిని ప్రారంభించి, తుది ఉత్పత్తులను తదుపరి తరం ఇన్ఫ్రారెడ్ ఇమేజింగ్ సిస్టమ్స్లో ఉపయోగించడానికి సిద్ధమవుతోంది. SiOnyx సీఈఓ స్టీఫెన్ సేలర్ మాట్లాడుతూ, బ్లాక్ సిలికాన్ టెక్నాలజీ యొక్క తక్కువ ఖర్చు మరియు అధిక సున్నితత్వ ప్రయోజనాలు, పరిశోధన మరియు మెడికల్ ఇమేజింగ్ మార్కెట్లపై దృష్టి సారించిన కంపెనీల దృష్టిని అనివార్యంగా ఆకర్షిస్తాయని పేర్కొన్నారు. భవిష్యత్తులో, ఇది అనేక బిలియన్ డాలర్ల డిజిటల్ కెమెరా మరియు క్యామ్కార్డర్ మార్కెట్లోకి కూడా ప్రవేశించవచ్చు. SiOnyx ప్రస్తుతం బ్లాక్ సిలికాన్ యొక్క ఫోటోవోల్టాయిక్ లక్షణాలతో కూడా ప్రయోగాలు చేస్తోంది, మరియు ఇది చాలావరకు నిజమయ్యే అవకాశం ఉంది.నల్ల సిలికాన్భవిష్యత్తులో సౌర ఘటాలలో ఉపయోగించబడుతుంది. 1. బ్లాక్ సిలికాన్ ఏర్పడే ప్రక్రియ
1.1 తయారీ ప్రక్రియ
సింగిల్-క్రిస్టల్ సిలికాన్ వేఫర్లను ట్రైక్లోరోఇథిలీన్, అసిటోన్ మరియు మెథనాల్తో వరుసగా శుభ్రపరిచి, ఆపై వాక్యూమ్ ఛాంబర్లోని త్రిమితీయంగా కదిలే టార్గెట్ స్టేజ్పై ఉంచుతారు. వాక్యూమ్ ఛాంబర్ యొక్క బేస్ ప్రెజర్ 1.3 × 10⁻² Pa కంటే తక్కువగా ఉంటుంది. వర్కింగ్ గ్యాస్గా SF₆, Cl₂, N₂, గాలి, H₂S, H₂, SiH₄ మొదలైనవి ఉపయోగించవచ్చు, దీని వర్కింగ్ ప్రెజర్ 6.7 × 10⁴ Pa ఉంటుంది. ప్రత్యామ్నాయంగా, వాక్యూమ్ వాతావరణాన్ని ఉపయోగించవచ్చు, లేదా S, Se, లేదా Te యొక్క ఎలిమెంటల్ పౌడర్లను వాక్యూమ్లో సిలికాన్ ఉపరితలంపై పూతగా వేయవచ్చు. టార్గెట్ స్టేజ్ను నీటిలో కూడా ముంచవచ్చు. Ti:సఫైర్ లేజర్ రీజెనరేటివ్ యాంప్లిఫైయర్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఫెమ్టోసెకండ్ పల్స్లను (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) ఒక కటకం ద్వారా కేంద్రీకరించి, సిలికాన్ ఉపరితలంపై లంబంగా ప్రసరింపజేస్తారు (లేజర్ అవుట్పుట్ శక్తిని ఒక అటెన్యూయేటర్ నియంత్రిస్తుంది, ఇందులో ఒక హాఫ్-వేవ్ ప్లేట్ మరియు ఒక పోలరైజర్ ఉంటాయి). లేజర్ స్పాట్తో సిలికాన్ ఉపరితలాన్ని స్కాన్ చేయడానికి టార్గెట్ స్టేజ్ను కదిలించడం ద్వారా, పెద్ద విస్తీర్ణంలో నల్లని సిలికాన్ పదార్థాన్ని పొందవచ్చు. కటకానికి మరియు సిలికాన్ వేఫర్కు మధ్య దూరాన్ని మార్చడం ద్వారా సిలికాన్ ఉపరితలంపై ప్రసరించే కాంతి స్పాట్ పరిమాణాన్ని సర్దుబాటు చేయవచ్చు, తద్వారా లేజర్ ఫ్లూయెన్స్ను మార్చవచ్చు; స్పాట్ పరిమాణం స్థిరంగా ఉన్నప్పుడు, టార్గెట్ స్టేజ్ కదిలే వేగాన్ని మార్చడం ద్వారా సిలికాన్ ఉపరితలం యొక్క యూనిట్ వైశాల్యంపై ప్రసరించే పల్స్ల సంఖ్యను సర్దుబాటు చేయవచ్చు. పనిచేసే వాయువు సిలికాన్ ఉపరితల సూక్ష్మ నిర్మాణ ఆకారాన్ని గణనీయంగా ప్రభావితం చేస్తుంది. పనిచేసే వాయువు స్థిరంగా ఉన్నప్పుడు, లేజర్ ఫ్లూయెన్స్ను మరియు యూనిట్ వైశాల్యానికి అందే పల్స్ల సంఖ్యను మార్చడం ద్వారా సూక్ష్మ నిర్మాణాల ఎత్తు, ఆస్పెక్ట్ రేషియో మరియు అంతరాన్ని నియంత్రించవచ్చు.
1.2 సూక్ష్మ లక్షణాలు
ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్ వికిరణం తర్వాత, మొదట నునుపుగా ఉన్న స్ఫటికాకార సిలికాన్ ఉపరితలంపై దాదాపు క్రమబద్ధంగా అమర్చబడిన చిన్న శంఖాకార నిర్మాణాలు కనిపిస్తాయి. ఈ శంకువుల పైభాగాలు, చుట్టుపక్కల ఉన్న వికిరణం చెందని సిలికాన్ ఉపరితలంతో ఒకే తలంలో ఉంటాయి. పటం 2లో చూపిన విధంగా, ఈ శంఖాకార నిర్మాణం యొక్క ఆకారం పనిచేసే వాయువుపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఇక్కడ (ఎ), (బి), మరియు (సి)లలో చూపిన శంఖాకార నిర్మాణాలు వరుసగా SF₆, S, మరియు N₂ వాతావరణాలలో ఏర్పడ్డాయి. అయితే, శంకువుల పైభాగాల దిశ వాయువుపై ఆధారపడదు మరియు గురుత్వాకర్షణ ప్రభావానికి లోనుకాకుండా ఎల్లప్పుడూ లేజర్ పతన దిశలోనే ఉంటుంది. అంతేకాకుండా, ఇది స్ఫటికాకార సిలికాన్ యొక్క డోపింగ్ రకం, నిరోధకత, మరియు స్ఫటిక విన్యాసంపై కూడా ఆధారపడదు; శంకువుల అడుగుభాగాలు అసౌష్టవంగా ఉంటాయి, వాటి చిన్న అక్షం లేజర్ ధ్రువీకరణ దిశకు సమాంతరంగా ఉంటుంది. గాలిలో ఏర్పడిన శంఖాకార నిర్మాణాలు అత్యంత గరుకుగా ఉంటాయి, మరియు వాటి ఉపరితలాలు 10–100 nm పరిమాణంలో ఉన్న మరింత సూక్ష్మమైన డెండ్రైటిక్ నానో నిర్మాణాలతో కప్పబడి ఉంటాయి.
లేజర్ ఫ్లూయెన్స్ మరియు పల్స్ల సంఖ్య పెరిగే కొద్దీ, శంఖాకార నిర్మాణాలు పొడవుగా మరియు వెడల్పుగా మారతాయి. SF6 వాయువులో, శంఖాకార నిర్మాణాల ఎత్తు h మరియు అంతరం d మధ్య ఒక నాన్-లీనియర్ సంబంధం ఉంటుంది, దీనిని సుమారుగా h∝dp గా వ్యక్తీకరించవచ్చు, ఇక్కడ p=2.4±0.1; లేజర్ ఫ్లూయెన్స్ పెరిగే కొద్దీ ఎత్తు h మరియు అంతరం d రెండూ గణనీయంగా పెరుగుతాయి. ఫ్లూయెన్స్ 5 kJ/m² నుండి 10 kJ/m² కు పెరిగినప్పుడు, అంతరం d 3 రెట్లు పెరుగుతుంది, మరియు h మరియు d మధ్య ఉన్న సంబంధంతో కలిపి, ఎత్తు h 12 రెట్లు పెరుగుతుంది.
వాక్యూమ్లో అధిక-ఉష్ణోగ్రత అనీలింగ్ (1200 K, 3 గంటలు) తర్వాత, శంఖాకార నిర్మాణాలునల్ల సిలికాన్గణనీయంగా మారలేదు, కానీ ఉపరితలంపై ఉన్న 10–100 nm డెండ్రిటిక్ నానో నిర్మాణాలు బాగా తగ్గాయి. అయాన్ ఛానలింగ్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ ప్రకారం, అనీలింగ్ తర్వాత శంఖాకార ఉపరితలంపై క్రమరాహిత్యం తగ్గింది, కానీ ఈ అనీలింగ్ పరిస్థితులలో చాలా వరకు క్రమరహిత నిర్మాణాలు మారలేదు.
1.3 నిర్మాణ విధానం
ప్రస్తుతం, బ్లాక్ సిలికాన్ ఏర్పడే విధానం స్పష్టంగా లేదు. అయితే, ఎరిక్ మజూర్ మరియు ఇతరులు, పని చేసే వాతావరణంతో సిలికాన్ ఉపరితల సూక్ష్మ నిర్మాణ ఆకారంలో వచ్చే మార్పు ఆధారంగా, అధిక-తీవ్రత గల ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్ల ప్రేరణతో, వాయువుకు మరియు స్ఫటికాకార సిలికాన్ ఉపరితలానికి మధ్య రసాయన చర్య జరుగుతుందని, ఇది సిలికాన్ ఉపరితలాన్ని కొన్ని వాయువుల ద్వారా ఎట్చింగ్ చేయడానికి వీలు కల్పిస్తూ, పదునైన శంకువులను ఏర్పరుస్తుందని ఊహించారు. ఎరిక్ మజూర్ మరియు ఇతరులు సిలికాన్ ఉపరితల సూక్ష్మ నిర్మాణం ఏర్పడటానికి గల భౌతిక మరియు రసాయన విధానాలను ఈ క్రింది విధంగా పేర్కొన్నారు: అధిక-ఫ్లూయెన్స్ లేజర్ పల్స్ల వలన సిలికాన్ సబ్స్ట్రేట్ కరగడం మరియు అబ్లేషన్ కావడం; బలమైన లేజర్ క్షేత్రం ద్వారా ఉత్పన్నమయ్యే రియాక్టివ్ అయాన్లు మరియు కణాల ద్వారా సిలికాన్ సబ్స్ట్రేట్ ఎట్చింగ్ కావడం; మరియు సబ్స్ట్రేట్ సిలికాన్లో అబ్లేషన్ అయిన భాగం యొక్క పునఃస్ఫటికీకరణ.
సిలికాన్ ఉపరితలంపై శంఖాకార నిర్మాణాలు వాటంతట అవే ఏర్పడతాయి, మరియు మాస్క్ లేకుండానే దాదాపు క్రమబద్ధమైన అమరికను ఏర్పరచవచ్చు. MY షెన్ మరియు ఇతరులు 2 μm మందం గల ట్రాన్స్మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ రాగి జాలికాన్ని సిలికాన్ ఉపరితలానికి మాస్క్గా అంటించి, ఆ తర్వాత SF6 వాయువులో ఉన్న సిలికాన్ వేఫర్ను ఫెమ్టోసెకండ్ లేజర్తో ప్రకాశింపజేశారు. వారు సిలికాన్ ఉపరితలంపై మాస్క్ నమూనాకు అనుగుణంగా, చాలా క్రమబద్ధంగా అమర్చబడిన శంఖాకార నిర్మాణాల అమరికను పొందారు (పటం 4 చూడండి). మాస్క్ యొక్క అపర్చర్ పరిమాణం శంఖాకార నిర్మాణాల అమరికను గణనీయంగా ప్రభావితం చేస్తుంది. మాస్క్ అపర్చర్ల ద్వారా పతనమయ్యే లేజర్ యొక్క వివర్తనం, సిలికాన్ ఉపరితలంపై లేజర్ శక్తి యొక్క అసమాన పంపిణీకి కారణమవుతుంది, దీని ఫలితంగా సిలికాన్ ఉపరితలంపై ఆవర్తన ఉష్ణోగ్రత పంపిణీ ఏర్పడుతుంది. ఇది చివరికి సిలికాన్ ఉపరితల నిర్మాణ అమరికను క్రమబద్ధంగా మారేలా చేస్తుంది.