Porózus szilícium
Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2015. május 15-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 6 szerkesztést igényelnek .A porózus szilícium ( por -Si vagy PC) pórusokkal tarkított, azaz porózus szerkezetű szilícium .
Történelem
Porózus szilíciumot először A. Uhlir szerzett 1956 -ban a szilícium felületének vizes HF-oldatokban történő elektrokémiai polírozásának kutatása során . A porózus szilícium filmeket sokáig csak laboratóriumi érdekességnek tekintették, és nem tanulmányozták őket részletesen. Ennek ellenére ez az anyag felkeltette a kutatók figyelmét, mivel kialakulásának mechanizmusa teljesen érthetetlen.
A porózus szilícium iránti rendkívüli érdeklődést a porózus szilícium szobahőmérsékleten történő fénykibocsátása okozta, amelyet L. Kenham (L. Canham) fedezett fel 1990 -ben a spektrum látható tartományában (vörös-narancssárga régióban), amikor besugározták egy lézer. A szilícium alapú anyagok lumineszcenciája iránti érdeklődés annak köszönhető, hogy a teljes félvezetőipar szilíciumra épül, és az egykristályos szilíciumból nem lehet fénykibocsátó eszközöket készíteni, mivel emissziós tényezője elhanyagolható (kevesebb, mint 0,001%). .
Bizonyos körülmények között oxidálószer jelenlétében a porózus szilícium hajlamos meggyulladni és robbanni mechanikai, elektromos és termikus hatások hatására. Ezt a hatást először McCord, Yau és Bard jegyezte meg 1992-ben (P. McCord S.-L. Yau és AJBard, Science 257 (1992) 68-69). A porózus nanostrukturált szilícium robbanási energiája körülbelül négyszer nagyobb, mint a TNT detonációs energiája . A közelmúltban javasolták a porózus szilícium felrobbantásának alkalmazását légzsákok indítására autókban, mikroműholdak kazettás sugárhajtóműveiben.
Osztályozás
A porózus szilíciumot pórusméret szerint osztályozzák:
- Mikroporózus szilícium – D < 2 nm.
- Mezopórusos szilícium – 2 nm < D < 50 nm.
- Makropórusos szilícium – D > 50 nm.
Getting
A porózus szilícium előállításának hagyományos módszere az egykristályos szilícium ( c - Si) lapkák elektrokémiai maratása HF hidrogén-fluorsav etanolos oldatában . A szilíciumelektródon (anódon) lévő pozitív potenciálnál többlépcsős szilíciumoldódási és redukciós reakció megy végbe. A második elektróda (katód) általában egy platinalemez. Az elektromos áramsűrűség megfelelő megválasztásával porózus réteg képződik a c -Si felületen.
Megállapítást nyert, hogy a porózus szilícium film vastagsága szinte lineárisan függ a maratási időtől, és a frakcióktól a több száz mikrométerig változhat. A porózus réteg szerkezetét az áramsűrűség , a HF koncentrációja az elektrolitban és a szilícium szubsztrát adalékolásának jellege határozza meg .
A porózus szilíciumban főként a szubsztrátumtól örökölt atomok elrendeződése megmarad. A porózus szilíciumminták szilíciumvázának felületét közvetlenül a gyártás után különböző formában adszorbeált hidrogén borítja . A levegőnek való kitettség, különösen világítással együtt, az anyag jelentős oxidációjához vezet .
A pórusképzés mechanizmusa
A pórusképződés mechanizmusával kapcsolatos modellelképzelések az 1960-as évek közepétől kezdtek kialakulni, de egyetlen nézőpont még nem alakult ki ( 2004 ).
Összefoglalva a különböző modelleket, a következőket lehet megjegyezni. A Si felület a HF vizes oldatával érintkezve hidrogénnel telítődik és kémiailag inertté válik az elektrolithoz képest . Ha potenciálkülönbséget alkalmaznak az elektródákon, akkor a szilícium lapkán lévő lyukak elkezdenek vándorolni a szilícium-elektrolit határfelületre. Ebben az esetben a Si atomok megszabadulnak a blokkoló hidrogéntől, kölcsönhatásba lépnek az ionokkal és az elektrolit molekulákkal, és átjutnak az oldatba. Ha az elektrolízist nagy áramsűrűséggel végzik, akkor nagyszámú lyuk kerül be az elektróda felületére. Folyamatos frontként haladnak a határfelület felé, és szinte minden Si atomnak reaktivitást biztosítanak. Mivel a mikronyúlványok felülete nagyobb, mint a sík területek, gyorsabban oldódnak fel. Így a szilícium anód felülete fokozatosan kiegyenlítődik. Ez az elektrokémiai polírozás módja.
Ha az elektrolízist alacsony áramsűrűség mellett hajtják végre, akkor a lyukak száma nem elegendő a folyamatos front megszervezéséhez, és ezért a felületen helyi szilíciumoldódás következik be. Különböző modellek szerint a pórusok gócképződése megindulhat mikrogödröknél, szerkezeti hibáknál, mechanikailag igénybevett területeken, vagy a felületi potenciáltér lokális perturbációinál. Az idő múlásával a megjelenő pórusok mélyen az elektródába nőnek, mivel a lyukak a pórusok csúcsaihoz sodródnak, ahol az elektromos térerősség nagyobb.
Jellemzők
Porozitási fok
A porózus szilícium legfontosabb jellemzője, amely meghatározza fizikai paramétereinek nagy részét, a porozitás vagy porozitás mértéke ( P ).
Ezt a következő kifejezés határozza meg:
P =
ahol ρ Si és ρ por -Si az egykristályos és a porózus szilícium sűrűsége.
Jelenleg ( 2005 ) a porozitási értékek 5 és 95% között változhatnak.
A minta porozitásának mértékét általában gravimetriás módszerrel (méréssel) határozzák meg. A porozitás meghatározása ezzel a módszerrel három lépésben történik:
- Mérő egykristályos szilícium ostya;
- Porózus réteg maratása rá és a kapott minta lemérése;
- A porózus réteg eltávolítása a szilícium hordozóról való maratással és a minta újramérése.
A gravimetriás módszer hibája a porózus réteg kis vastagságánál (10 µm-ig) és nagy porozitásoknál (több mint 70%) elérheti a 15-20%-ot. Ezenkívül a porozitás mértékének ilyen szabályozása a minta tönkremeneteléhez vezet, mivel a porózus réteget a mérések során eltávolítják róla.
Tulajdonságok
Fajlagos felület
A porózus szilícium jellemző tulajdonsága a belső felületének nagy területe. A porozitástól és a pórusok geometriájától függően 10-100 m²/cm³ makropórusos szilícium, 100-300 m²/cm³ mezopórusos szilícium, és 300-800 m²/cm³ nanopórusos szilícium esetén.
Ellenállás
A porózus szilícium a maratási körülményektől függően széles fajlagos ellenállási értékkel rendelkezik, 10-2-10 11 Ω cm.
Hővezetőképesség
A nagy porózus szilícium hővezető képessége több mint egy nagyságrenddel alacsonyabb, mint az egykristályos szilíciumé (~10 W/mK 300 K-en).
Optikai tulajdonságok
A porózus szilícium optikai tulajdonságai is jelentősen eltérnek az ömlesztett anyagokétól. Különösen a szubsztráttól leválasztott porózus réteg abszorpciós spektrumának széle, a porozitástól függően, 100-500 meV-el tolódik el a nagy hν felé E g0 -hoz képest.
FotolumineszcenciaA porózus szilícium legmeglepőbb tulajdonsága, hogy hatékonyan lumineszkál a spektrum látható tartományában.
Már az első kísérletek során világossá vált, hogy a porózus szilícium minták, amelyeknél a porozitás meghaladja az 50%-ot, hatékonyan lumineszkálnak. A fotolumineszcencia hatékonysága elérheti a több tíz százalékot. A sugárzás hullámhossza az eloxálási feltételek változtatásával szabályozható . Kiderült, hogy beszerezhető a színes kijelzők gyártásához szükséges piros, zöld és kék szín.
ElektrolumineszcenciaA porózus szilícium elektrolumineszcenciáját kisebb mértékben tanulmányozták, mint a fotolumineszcenciát . Ugyanakkor a porózus szilícium, mint fénykibocsátó eszközök ( LED -ek , színes kijelzők) gyakorlati felhasználásának legvonzóbb lehetőségei az elektrolumineszcenciához kapcsolódnak. Feltételezik, hogy a porózus szilícium LED-ek sokkal olcsóbbak lesznek, mint a jelenleg félvezető vegyületekből előállítottak.
A fő nehézségek a következők:
- Az elektrolumineszcencia alacsony hatékonysága;
- A szerkezetek gyors leromlása.
Az első elektrolumineszcens eszközök hatásfoka alacsony ( 10-5 %) volt, de mára sikerült feltárni a fényt kibocsátó porózus szilícium öregedésének okait és felvázolni az időstabil szerkezetek kialakításának módjait. A fotolumineszcencia jelenségét hatékonyan karbantartják szén- vagy vasatomok bejuttatásával a térfogatba , és a modern elektrolumineszcens készülékek élettartama több év, kvantumhatékonysága körülbelül 10-1 %.
Alkalmazás
Vastag dielektromos fóliák készítése
A nagyfeszültségen működő szilícium eszközök létrehozásához vastag, 10 mikronnál vastagabb dielektromos rétegekre van szükség. A hagyományos szilícium oxidálásával kapott SiO 2 dielektromos filmek azonban nem lehetnek vastagabbak néhány mikronnál. Kiderült, hogy a porózus szilícium kiválóan alkalmas ennek a problémának a megoldására. Ha ez az anyag termikus oxidációnak van kitéve, akkor a kialakult pórusrendszernek köszönhetően az oxigénmolekulák képesek behatolni a porózus szilícium teljes vastagságába, és teljes oxidációhoz vezetnek.
Erre a célra az 50% körüli porozitású rétegek optimálisak. Fontos megjegyezni, hogy a dielektromos filmek porózus rétegeket használó képződése alacsonyabb hőmérsékleten megy végbe, mint a szilícium hagyományos termikus oxidációja során.
Szigetelő alap szilícium-szigetelő szerkezetekhez
Az 1970-es évek közepére az integrált áramkörök elemeinek sűrűsége annyira megnőtt, hogy meg kellett találni a módját a szilíciumhordozón keresztül a köztük lévő szivárgó áramok megszüntetésére. Ehhez szilícium-szigetelőre (SOI) struktúrát javasoltak. A SOI szerkezet dielektromos anyagból készült alap, növesztett egykristályos szilíciumréteggel. Ebben az esetben az integrált áramkörök elemei a réteg térfogatában alakulnak ki, majd a kerületük mentén helyi oxidációt hajtanak végre, és minden elem elszigetelődik szomszédaitól. Az oxidált porózus szilícium már az első kísérletekben a SOI szerkezetek szigetelő alapjának bizonyult.
Pufferrétegek
Az alacsony porozitású szilícium (P < 30%) hatékony pufferrétegnek bizonyult más félvezetők egykristályos filmjeinek epitaxiájában szilíciumon . A jó minőségű rétegek termesztésének fő feltétele a szilícium és az alkalmazott anyag rácsállandóinak közelsége. Közbenső (puffer) rétegek alkalmazása esetén azonban lehetséges olyan rétegek növesztése, amelyekben nagy a rács eltérés. A porózus szilícium pufferréteg alkalmazása lehetővé tette a kiváló minőségű GaAs , PbS , PbTe és más félvezető filmek termesztésének problémáját, amikor szerkezeteket növesztünk szilícium hordozón.
Növekvő nanoméretű struktúrák
Porózus szilíciumban elektrokémiai maratással kvantumpontokat , kvantumhuzalokat , különböző fraktálméretű elemeket lehet előállítani. Ezért a porózus szilíciumot, amelynek P > 50%, a nanoelektronika egyik anyagának kell tekinteni . Sőt, ígéretes lehet a pórusok feltöltése más kémiai vegyületekkel, ami további kis dimenziós elemek kialakítását teszi lehetővé a porózus szilícium térfogatában.
Fénykibocsátó eszközök létrehozása
Mint már említettük, a porózus szilícium iránti fő érdeklődés annak köszönhető, hogy az egykristályos szilíciummal ellentétben hatékonyan képes fényt bocsátani a látható tartományban. Ezzel sokkal olcsóbb fénykibocsátó eszközöket ( LED -eket , színes kijelzőket) lehet létrehozni.
Fényvezetők készítése
Az integrál optika céljaira sík fényvezetőket használnak , amelyek olyan filmszerkezet, amelyben a fény egy nagy törésmutatójú rétegben terjed, amelyet mindkét oldalon alacsonyabb törésmutatójú rétegek határolnak (a teljes belső visszaverődés hatása). . A porózus szilícium esetében ez az index a porozitástól függ (minél nagyobb a porozitás, annál kisebb a törésmutató), ezért a különböző porozitású többrétegű struktúrák kialakulása lehetővé teszi ezek alapján kis veszteségű hullámvezető elemek előállítását. Az abszorpciós veszteségek tovább csökkenthetők a porózus szilíciumrétegek oxidálásával. Hasonló fényvezetők porózus üvegből is készülhetnek .
Különféle érzékelők létrehozása
Mivel a porózus szilícium nagyon nagy fajlagos felülettel rendelkezik, felhasználható páratartalom-érzékelők, gáz-, kémiai és biológiai érzékelők készítésére. Az ilyen érzékelők működési elve a külső molekuláknak a felület elektronikus állapotára gyakorolt hatásán alapul, ami porózus szilícium esetén nagy érzékenységhez vezet. Az ilyen érzékelők jellemzően észlelik a porózus szilícium kapacitív, vezetőképes és lumineszcens tulajdonságainak változásait meghatározott molekulák jelenlétében, ellenőrzött környezetben. Ennek az anyagnak az érintkezési és felületi tulajdonságainak korlátai, valamint az alapvető jellemzőiből adódó magas kémiai aktivitás oxidáló környezetben nem teszik lehetővé nemcsak a külső hatásoknak ellenálló (még N.O.-nál sem romló) érzékelők létrehozását, hanem működési körülményeiktől függően időszakos, összetett kalibrálást is igényelnek.
Használata fotodinamikus terápiában
Azt találták, hogy a fotogerjesztett porózus szilícium szingulett oxigént képes létrehozni . Mivel a szilícium önmagában nem mérgező a szervezetre, alkalmazása ezen a területen nagyon ígéretes. A szilícium gyorsan oxidálódik, és kémiailag inert szilícium-oxiddá válik, ami nem mondható el a fotodinamikus terápiában használt jelenlegi gyógyszerekről . Egy másik előny a porózus szilícium alacsony költsége.
Lásd még
Irodalom
- Feng ZC, Tsu R., szerk. (1994). Porózus szilícium. Szingapúr: World Scientific. ISBN 981-02-1634-3 .