විප්ලවීය නව ද්රව්යයක් - කළු සිලිකන්
කළු සිලිකන් යනු විශිෂ්ට දෘෂ්ටි ඉලෙක්ට්රොනික ගුණාංග සහිත නව සිලිකන් ද්රව්ය වර්ගයකි. මෙම ලිපිය මෑත වසරවල එරික් මසූර් සහ අනෙකුත් පර්යේෂකයින් විසින් කළු සිලිකන් පිළිබඳ පර්යේෂණ කටයුතු සාරාංශ කරයි, කළු සිලිකන් සකස් කිරීම සහ සෑදීමේ යාන්ත්රණය මෙන්ම අවශෝෂණය, දීප්තිය, ක්ෂේත්ර විමෝචනය සහ වර්ණාවලි ප්රතිචාරය වැනි එහි ගුණාංග විස්තර කරයි. අධෝරක්ත අනාවරක, සූර්ය කෝෂ සහ පැතලි පැනල් සංදර්ශකවල කළු සිලිකන් වල වැදගත් විභව යෙදුම් ද එය පෙන්වා දෙයි.
පිරිසිදු කිරීමේ පහසුව, මාත්රණ පහසුව සහ ඉහළ උෂ්ණත්ව ප්රතිරෝධය වැනි වාසි නිසා ස්ඵටිකරූපී සිලිකන් අර්ධ සන්නායක කර්මාන්තයේ බහුලව භාවිතා වේ. කෙසේ වෙතත්, එහි මතුපිට දෘශ්ය හා අධෝරක්ත ආලෝකයේ ඉහළ පරාවර්තනය වැනි බොහෝ අවාසි ද එයට ඇත. තවද, එහි විශාල කලාප පරතරය නිසා,ස්ඵටිකරූපී සිලිකන්1100 nm ට වැඩි තරංග ආයාමයන් සහිත ආලෝකය අවශෝෂණය කළ නොහැක. සිදුවීම් ආලෝකයේ තරංග ආයාමය 1100 nm ට වඩා වැඩි වූ විට, සිලිකන් අනාවරකවල අවශෝෂණ සහ ප්රතිචාර අනුපාතය බෙහෙවින් අඩු වේ. මෙම තරංග ආයාමයන් හඳුනා ගැනීම සඳහා ජර්මේනියම් සහ ඉන්ඩියම් ගැලියම් ආසනයිඩ් වැනි අනෙකුත් ද්රව්ය භාවිතා කළ යුතුය. කෙසේ වෙතත්, අධික පිරිවැය, දුර්වල තාප ගතික ගුණාංග සහ ස්ඵටික ගුණාත්මකභාවය සහ පවතින පරිණත සිලිකන් ක්රියාවලීන් සමඟ නොගැලපීම සිලිකන් පාදක උපාංගවල ඒවායේ යෙදුම සීමා කරයි. එබැවින්, ස්ඵටිකරූපී සිලිකන් මතුපිට පරාවර්තනය අඩු කිරීම සහ සිලිකන් පාදක සහ සිලිකන්-අනුකූල ෆොටෝඩෙටෙක්ටර්වල හඳුනාගැනීමේ තරංග ආයාම පරාසය පුළුල් කිරීම උණුසුම් පර්යේෂණ මාතෘකාවක් ලෙස පවතී.
ස්ඵටිකරූපී සිලිකන් මතුපිට පරාවර්තනය අඩු කිරීම සඳහා, ප්රකාශ ශිලා විද්යාව, ප්රතික්රියාශීලී අයන කැටයම් කිරීම සහ විද්යුත් රසායනික කැටයම් කිරීම වැනි බොහෝ පර්යේෂණාත්මක ක්රම සහ ශිල්පීය ක්රම භාවිතා කර ඇත. මෙම ශිල්පීය ක්රම මගින් යම් දුරකට ස්ඵටිකරූපී සිලිකන් මතුපිට සහ මතුපිටට ආසන්න රූප විද්යාව වෙනස් කළ හැකි අතර එමඟින් අඩු කරයිසිලිකන් මතුපිට පරාවර්තනය. දෘශ්ය ආලෝක පරාසය තුළ, පරාවර්තනය අඩු කිරීමෙන් අවශෝෂණය වැඩි කළ හැකි අතර උපාංග කාර්යක්ෂමතාව වැඩි දියුණු කළ හැකිය. කෙසේ වෙතත්, 1100 nm ඉක්මවන තරංග ආයාමයන්හිදී, සිලිකන් කලාප පරතරයට අවශෝෂණ ශක්ති මට්ටම් හඳුන්වා නොදුනහොත්, අඩු පරාවර්තනය සම්ප්රේෂණය වැඩි කිරීමට පමණක් හේතු වේ, මන්ද සිලිකන් කලාප පරතරය අවසානයේ දිගු තරංග ආයාම ආලෝකයේ අවශෝෂණය සීමා කරයි. එබැවින්, සිලිකන් මත පදනම් වූ සහ සිලිකන්-අනුකූල උපාංගවල සංවේදී තරංග ආයාම පරාසය පුළුල් කිරීම සඳහා, කලාප පරතරය තුළ ෆෝටෝන අවශෝෂණය වැඩි කිරීම සහ සිලිකන් මතුපිට පරාවර්තනය අඩු කිරීම අවශ්ය වේ.
1990 දශකයේ අගභාගයේදී, හාවඩ් විශ්ව විද්යාලයේ මහාචාර්ය එරික් මසූර් සහ අනෙකුත් අය, රූප සටහන 1 හි පෙන්වා ඇති පරිදි, පදාර්ථ සමඟ ෆෙම්ටොසෙකන්ඩ් ලේසර් අන්තර්ක්රියා කිරීම පිළිබඳ ඔවුන්ගේ පර්යේෂණ අතරතුර, කළු සිලිකන් - නව ද්රව්යයක් ලබා ගත්හ. කළු සිලිකන් වල ප්රකාශ විද්යුත් ගුණාංග අධ්යයනය කරන අතරතුර, මෙම ක්ෂුද්ර ව්යුහගත සිලිකන් ද්රව්යයට අද්විතීය ප්රකාශ විද්යුත් ගුණාංග ඇති බව සොයා ගැනීමට එරික් මසූර් සහ ඔහුගේ සගයන් පුදුමයට පත් වූහ. එය පාරජම්බුල කිරණ සහ අධෝරක්ත කිරණ පරාසයේ (0.25–2.5 μm) ආලෝකය සියල්ලම පාහේ අවශෝෂණය කරයි, විශිෂ්ට දෘශ්ය හා අධෝරක්ත කිරණ දීප්තිය ලක්ෂණ සහ හොඳ ක්ෂේත්ර විමෝචන ගුණාංග ප්රදර්ශනය කරයි. මෙම සොයාගැනීම අර්ධ සන්නායක කර්මාන්තයේ සංවේදනයක් ඇති කළ අතර, ප්රධාන සඟරා ඒ පිළිබඳව වාර්තා කිරීමට තරඟ කළහ. 1999 දී, සයන්ටිෆික් ඇමරිකන් සහ ඩිස්කවර් සඟරා, 2000 දී ලොස් ඇන්ජලීස් ටයිම්ස් විද්යා අංශය සහ 2001 දී නිව් සයන්ටිස්ට් සඟරාව කළු සිලිකන් සොයා ගැනීම සහ එහි විභව යෙදුම් පිළිබඳව සාකච්ඡා කරන විශේෂාංග ලිපි ප්රකාශයට පත් කළ අතර, දුරස්ථ සංවේදනය, දෘශ්ය සන්නිවේදනය සහ ක්ෂුද්ර ඉලෙක්ට්රොනික විද්යාව වැනි ක්ෂේත්රවල එය සැලකිය යුතු විභව වටිනාකමක් ඇති බව විශ්වාස කළහ.
වර්තමානයේ, ප්රංශයේ ටී. සමෙට්, අයර්ලන්තයේ ඇනොයිෆ් එම්. මොලෝනි, චීනයේ ෆුඩාන් විශ්ව විද්යාලයේ ෂාඕ ලී සහ චීන විද්යා ඇකඩමියේ මෙන් හයිනිං යන සියල්ලන්ම කළු සිලිකන් පිළිබඳ පුළුල් පර්යේෂණ සිදු කර මූලික ප්රතිඵල ලබාගෙන ඇත. ඇමරිකා එක්සත් ජනපදයේ මැසචුසෙට්ස් හි සමාගමක් වන SiOnyx, අනෙකුත් සමාගම් සඳහා තාක්ෂණික සංවර්ධන වේදිකාවක් ලෙස සේවය කිරීම සඳහා ඩොලර් මිලියන 11 ක ව්යාපාර ප්රාග්ධනයක් පවා රැස් කර ඇති අතර, සංවේදක පාදක කළු සිලිකන් වේෆර් වාණිජමය වශයෙන් නිෂ්පාදනය කිරීම ආරම්භ කර ඇති අතර, ඊළඟ පරම්පරාවේ අධෝරක්ත රූපකරණ පද්ධතිවල නිමි නිෂ්පාදන භාවිතා කිරීමට සූදානම් වේ. SiOnyx හි ප්රධාන විධායක නිලධාරී ස්ටීවන් සේලර් ප්රකාශ කළේ කළු සිලිකන් තාක්ෂණයේ අඩු පිරිවැය සහ ඉහළ සංවේදීතා වාසි අනිවාර්යයෙන්ම පර්යේෂණ සහ වෛද්ය රූපකරණ වෙළඳපොළවල් කෙරෙහි අවධානය යොමු කරන සමාගම්වල අවධානය ආකර්ෂණය කර ගන්නා බවයි. අනාගතයේදී, එය ඩොලර් බිලියන ගණනක ඩිජිටල් කැමරා සහ කැම්කෝඩර් වෙළඳපොළට පවා ඇතුළු විය හැකිය. SiOnyx දැනට කළු සිලිකන් වල ප්රකාශ වෝල්ටීයතා ගුණාංග සමඟ අත්හදා බලමින් සිටින අතර, එය බොහෝ දුරට ඉඩ තිබේකළු සිලිකන්අනාගතයේදී සූර්ය කෝෂ වල භාවිතා වේ. 1. කළු සිලිකන් සෑදීමේ ක්රියාවලිය
1.1 සූදානම් කිරීමේ ක්රියාවලිය
තනි-ස්ඵටික සිලිකන් වේෆර් ට්රයික්ලෝරෝඑතිලීන්, ඇසිටෝන් සහ මෙතනෝල් සමඟ අනුපිළිවෙලින් පිරිසිදු කර, පසුව රික්ත කුටියක ත්රිමාණව චංචල ඉලක්ක අවධියක් මත තබනු ලැබේ. රික්ත කුටියේ පාදක පීඩනය 1.3 × 10⁻² Pa ට වඩා අඩුය. වැඩ කරන වායුව SF₆, Cl₂, N₂, වාතය, H₂S, H₂, SiH₄, ආදිය විය හැකි අතර, 6.7 × 10⁴ Pa ක්රියාකාරී පීඩනයක් ඇත. විකල්පයක් ලෙස, රික්ත පරිසරයක් භාවිතා කළ හැකිය, නැතහොත් S, Se හෝ Te හි මූලද්රව්ය කුඩු රික්තයක් තුළ සිලිකන් මතුපිටට ආලේප කළ හැකිය. ඉලක්ක අවධිය ජලයේ ගිල්විය හැකිය. Ti: නිල් මැණික් ලේසර් පුනර්ජනනීය ඇම්ප්ලිෆයරයක් මගින් ජනනය කරන ලද ෆෙම්ටොසෙකන්ඩ් ස්පන්දන (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) කාචයක් මගින් නාභිගත කර සිලිකන් මතුපිටට ලම්බකව විකිරණය කරනු ලැබේ (ලේසර් ප්රතිදාන ශක්තිය අර්ධ තරංග තහඩුවකින් සහ ධ්රැවීකරණයකින් සමන්විත අත්තනෝමතිකයක් මගින් පාලනය වේ). ලේසර් ස්ථානය සමඟ සිලිකන් මතුපිට පරිලෝකනය කිරීම සඳහා ඉලක්ක අවධිය චලනය කිරීමෙන්, විශාල ප්රදේශයක කළු සිලිකන් ද්රව්ය ලබා ගත හැකිය. කාචය සහ සිලිකන් වේෆරය අතර දුර වෙනස් කිරීමෙන් සිලිකන් මතුපිට විකිරණය කරන ලද ආලෝක ස්ථානයේ ප්රමාණය සකස් කළ හැකි අතර එමඟින් ලේසර් චතුරතාව වෙනස් කළ හැකිය; ස්ථාන ප්රමාණය නියත වන විට, ඉලක්ක අවධියේ චලනය වන වේගය වෙනස් කිරීමෙන් සිලිකන් මතුපිට ඒකක ප්රදේශයක විකිරණය කරන ලද ස්පන්දන ගණන සකස් කළ හැකිය. වැඩ කරන වායුව සිලිකන් මතුපිට ක්ෂුද්ර ව්යුහයේ හැඩයට සැලකිය යුතු ලෙස බලපායි. වැඩ කරන වායුව නියත වන විට, ලේසර් චතුරතාව සහ ඒකක ප්රදේශයකට ලැබෙන ස්පන්දන ගණන වෙනස් කිරීමෙන් ක්ෂුද්ර ව්යුහවල උස, දර්ශන අනුපාතය සහ පරතරය පාලනය කළ හැකිය.
1.2 අන්වීක්ෂීය ලක්ෂණ
ෆෙම්ටොසෙකන්ඩ් ලේසර් විකිරණයෙන් පසුව, මුලින් සුමට ස්ඵටිකරූපී සිලිකන් මතුපිට අර්ධ-නිතිපතා සකස් කරන ලද කුඩා කේතුකාකාර ව්යුහයන් මාලාවක් ප්රදර්ශනය කරයි. කේතු මුදුන් අවට විකිරණය නොකළ සිලිකන් මතුපිටට සමාන තලයක පිහිටා ඇත. කේතුකාකාර ව්යුහයේ හැඩය වැඩ කරන වායුවට සම්බන්ධ වේ, රූපය 2 හි පෙන්වා ඇති පරිදි, (a), (b), සහ (c) හි පෙන්වා ඇති කේතුකාකාර ව්යුහයන් පිළිවෙලින් SF₆, S සහ N₂ වායුගෝලවල සෑදී ඇත. කෙසේ වෙතත්, කේතු මුදුන්වල දිශාව වායුවෙන් ස්වාධීන වන අතර සෑම විටම ලේසර් සිදුවීම් දිශාවට යොමු කරයි, ගුරුත්වාකර්ෂණයෙන් බලපෑමට ලක් නොවන අතර ස්ඵටිකරූපී සිලිකන් වල මාත්රණ වර්ගය, ප්රතිරෝධකතාව සහ ස්ඵටික දිශානතියෙන් ද ස්වාධීන වේ; කේතු පාද අසමමිතික වන අතර ඒවායේ කෙටි අක්ෂය ලේසර් ධ්රැවීකරණ දිශාවට සමාන්තර වේ. වාතයේ සාදන ලද කේතුකාකාර ව්යුහයන් රළුම වන අතර ඒවායේ මතුපිට 10–100 nm හි ඊටත් වඩා සියුම් ඩෙන්ඩ්රිටික් නැනෝ ව්යුහයන්ගෙන් ආවරණය වී ඇත.
ලේසර් චතුරතාව වැඩි වන තරමට සහ ස්පන්දන ගණන වැඩි වන තරමට, කේතුකාකාර ව්යුහයන් උස හා පළල් වේ. SF6 වායුවේදී, කේතුකාකාර ව්යුහයන්ගේ උස h සහ පරතරය d අතර රේඛීය සම්බන්ධතාවයක් ඇති අතර, එය ආසන්න වශයෙන් h∝dp ලෙස ප්රකාශ කළ හැකිය, එහිදී p=2.4±0.1; ලේසර් චතුරතාව වැඩි වීමත් සමඟ උස h සහ පරතරය d යන දෙකම සැලකිය යුතු ලෙස වැඩි වේ. චතුරතාව 5 kJ/m² සිට 10 kJ/m² දක්වා වැඩි වන විට, පරතරය d 3 ගුණයකින් වැඩි වන අතර, h සහ d අතර සම්බන්ධතාවය සමඟ ඒකාබද්ධ වූ විට, උස h 12 ගුණයකින් වැඩි වේ.
රික්තයක් තුළ ඉහළ-උෂ්ණත්ව ඇනීලිං (1200 K, 3 h) පසු, කේතුකාකාර ව්යුහයන්කළු සිලිකන්සැලකිය යුතු ලෙස වෙනස් නොවූ නමුත් මතුපිට ඇති 10-100 nm ඩෙන්ඩ්රිටික් නැනෝ ව්යුහයන් බෙහෙවින් අඩු විය. අයන නාලිකා වර්ණාවලීක්ෂය මගින් කේතුකාකාර පෘෂ්ඨයේ ආබාධය ඇනීලිං කිරීමෙන් පසු අඩු වූ බව පෙන්නුම් කළ නමුත්, මෙම ඇනීලිං තත්වයන් යටතේ බොහෝ අක්රමික ව්යුහයන් වෙනස් නොවීය.
1.3 සැකසීමේ යාන්ත්රණය
වර්තමානයේ, කළු සිලිකන් සෑදීමේ යාන්ත්රණය පැහැදිලි නැත. කෙසේ වෙතත්, වැඩ කරන වායුගෝලය සමඟ සිලිකන් මතුපිට ක්ෂුද්ර ව්යුහයේ හැඩය වෙනස් වීම මත පදනම්ව, එරික් මසූර් සහ වෙනත් අය අනුමාන කළේ, ඉහළ තීව්රතාවයකින් යුත් ෆෙම්ටොසෙකන්ඩ් ලේසර් උත්තේජනය යටතේ, වායුව සහ ස්ඵටිකරූපී සිලිකන් මතුපිට අතර රසායනික ප්රතික්රියාවක් ඇති වන අතර එමඟින් සිලිකන් මතුපිට ඇතැම් වායූන් මගින් කැටයම් කිරීමට ඉඩ සලසමින් තියුණු කේතු සාදයි. එරික් මසූර් සහ වෙනත් අය සිලිකන් මතුපිට ක්ෂුද්ර ව්යුහය සෑදීමේ භෞතික හා රසායනික යාන්ත්රණ ආරෝපණය කළේ: ඉහළ ප්රවාහ ලේසර් ස්පන්දන නිසා ඇතිවන සිලිකන් උපස්ථරය දියවීම සහ ඉවත් කිරීම; ශක්තිමත් ලේසර් ක්ෂේත්රය මගින් ජනනය වන ප්රතික්රියාශීලී අයන සහ අංශු මගින් සිලිකන් උපස්ථරය කැටයම් කිරීම; සහ උපස්ථර සිලිකන් හි අබ්ලේටඩ් කොටස නැවත ස්ඵටිකීකරණය කිරීමයි.
සිලිකන් මතුපිට කේතුකාකාර ව්යුහයන් ස්වයංසිද්ධව සෑදී ඇති අතර, ආවරණයක් නොමැතිව අර්ධ-නිත්ය අරාවක් සෑදිය හැකිය. MY Shen et al. සිලිකන් මතුපිටට 2 μm ඝන සම්ප්රේෂණ ඉලෙක්ට්රෝන අන්වීක්ෂ තඹ දැලක් ආවරණයක් ලෙස සවි කර, පසුව ෆෙම්ටෝ තත්පර ලේසර් සමඟ SF6 වායුවේ සිලිකන් වේෆරය විකිරණය කළහ. ඔවුන් සිලිකන් මතුපිට මත ඉතා නිතිපතා සකස් කරන ලද කේතුකාකාර ව්යුහයන් සමූහයක් ලබා ගත් අතර එය ආවරණ රටාවට අනුකූල වේ (රූපය 4 බලන්න). ආවරණයේ විවර ප්රමාණය කේතුකාකාර ව්යුහයන්ගේ සැකැස්මට සැලකිය යුතු ලෙස බලපායි. ආවරණ විවරයන් මගින් සිදුවීම් ලේසර් විවර්තනය සිලිකන් මතුපිට ලේසර් ශක්තියේ ඒකාකාර නොවන ව්යාප්තියක් ඇති කරන අතර, එහි ප්රතිඵලයක් ලෙස සිලිකන් මතුපිට ආවර්තිතා උෂ්ණත්ව ව්යාප්තියක් ඇති වේ. මෙය අවසානයේ සිලිකන් මතුපිට ව්යුහ අරාව නිතිපතා වීමට බල කරයි.