Bahan Baharu Revolusioner – Silikon Hitam
Silikon hitam ialah sejenis bahan silikon baharu dengan sifat optoelektronik yang sangat baik. Artikel ini meringkaskan kerja penyelidikan mengenai silikon hitam oleh Eric Mazur dan penyelidik lain dalam beberapa tahun kebelakangan ini, memperincikan mekanisme penyediaan dan pembentukan silikon hitam, serta sifatnya seperti penyerapan, pendaran, pancaran medan dan tindak balas spektrum. Ia juga menunjukkan potensi aplikasi penting silikon hitam dalam pengesan inframerah, sel suria dan paparan panel rata.
Silikon kristal digunakan secara meluas dalam industri semikonduktor kerana kelebihannya seperti kemudahan penulenan, kemudahan doping, dan rintangan suhu tinggi. Walau bagaimanapun, ia juga mempunyai banyak kelemahan, seperti pantulan cahaya nampak dan inframerah yang tinggi pada permukaannya. Tambahan pula, disebabkan oleh jurang jalurnya yang besar,silikon kristaltidak dapat menyerap cahaya dengan panjang gelombang lebih besar daripada 1100 nm. Apabila panjang gelombang cahaya datang lebih besar daripada 1100 nm, kadar penyerapan dan tindak balas pengesan silikon akan berkurangan dengan ketara. Bahan lain seperti germanium dan indium galium arsenida mesti digunakan untuk mengesan panjang gelombang ini. Walau bagaimanapun, kos yang tinggi, sifat termodinamik dan kualiti kristal yang lemah, serta ketidakserasian dengan proses silikon matang sedia ada mengehadkan aplikasinya dalam peranti berasaskan silikon. Oleh itu, mengurangkan pantulan permukaan silikon kristal dan melanjutkan julat panjang gelombang pengesanan pengesan foto berasaskan silikon dan serasi silikon kekal sebagai topik penyelidikan yang hangat.
Untuk mengurangkan pantulan permukaan silikon kristal, banyak kaedah dan teknik eksperimen telah digunakan, seperti fotolitografi, pengetsaan ion reaktif dan pengetsaan elektrokimia. Teknik-teknik ini, sehingga tahap tertentu, boleh mengubah morfologi permukaan dan berhampiran permukaan silikon kristal, sekali gus mengurangkansilikon pantulan permukaan. Dalam julat cahaya yang boleh dilihat, pengurangan pantulan boleh meningkatkan penyerapan dan meningkatkan kecekapan peranti. Walau bagaimanapun, pada panjang gelombang melebihi 1100 nm, jika tiada tahap tenaga penyerapan dimasukkan ke dalam jurang jalur silikon, pantulan yang berkurangan hanya membawa kepada peningkatan penghantaran, kerana jurang jalur silikon akhirnya mengehadkan penyerapan cahaya panjang gelombang panjangnya. Oleh itu, untuk melanjutkan julat panjang gelombang sensitif peranti berasaskan silikon dan serasi silikon, adalah perlu untuk meningkatkan penyerapan foton dalam jurang jalur sambil mengurangkan pantulan permukaan silikon secara serentak.
Pada akhir 1990-an, Profesor Eric Mazur dan rakan-rakannya di Universiti Harvard memperoleh bahan baharu—silikon hitam—semasa penyelidikan mereka tentang interaksi laser femtosaat dengan jirim, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Semasa mengkaji sifat fotoelektrik silikon hitam, Eric Mazur dan rakan-rakannya terkejut apabila mendapati bahawa bahan silikon mikrostruktur ini mempunyai sifat fotoelektrik yang unik. Ia menyerap hampir semua cahaya dalam julat hampir ultraviolet dan hampir inframerah (0.25–2.5 μm), mempamerkan ciri-ciri pendaran inframerah yang boleh dilihat dan hampir inframerah yang sangat baik dan sifat pancaran medan yang baik. Penemuan ini menimbulkan sensasi dalam industri semikonduktor, dengan majalah-majalah utama bersaing untuk melaporkannya. Pada tahun 1999, majalah Scientific American dan Discover, pada tahun 2000 bahagian sains Los Angeles Times, dan pada tahun 2001 majalah New Scientist semuanya menerbitkan artikel pilihan yang membincangkan penemuan silikon hitam dan aplikasi potensinya, mempercayai ia mempunyai nilai potensi yang ketara dalam bidang seperti penderiaan jauh, komunikasi optik dan mikroelektronik.
Pada masa ini, T. Samet dari Perancis, Anoife M. Moloney dari Ireland, Zhao Li dari Universiti Fudan di China, dan Men Haining dari Akademi Sains China telah menjalankan penyelidikan meluas mengenai silikon hitam dan mencapai keputusan awal. SiOnyx, sebuah syarikat di Massachusetts, Amerika Syarikat, malah telah mengumpul modal teroka sebanyak $11 juta untuk dijadikan platform pembangunan teknologi untuk syarikat lain, dan telah memulakan pengeluaran komersial wafer silikon hitam berasaskan sensor, bersedia untuk menggunakan produk siap dalam sistem pengimejan inframerah generasi akan datang. Stephen Saylor, Ketua Pegawai Eksekutif SiOnyx, menyatakan bahawa kelebihan kos rendah dan kepekaan tinggi teknologi silikon hitam pasti akan menarik perhatian syarikat yang tertumpu pada pasaran penyelidikan dan pengimejan perubatan. Pada masa hadapan, ia mungkin memasuki pasaran kamera digital dan kamera video bernilai berbilion dolar. SiOnyx juga sedang bereksperimen dengan sifat fotovoltaik silikon hitam, dan kemungkinan besar...silikon hitamakan digunakan dalam sel suria pada masa hadapan. 1. Proses Pembentukan Silikon Hitam
1.1 Proses Persediaan
Wafer silikon kristal tunggal dibersihkan secara berurutan dengan trikloroetilena, aseton dan metanol, dan kemudian diletakkan pada peringkat sasaran bergerak tiga dimensi dalam ruang vakum. Tekanan asas ruang vakum adalah kurang daripada 1.3 × 10⁻² Pa. Gas kerja boleh terdiri daripada SF₆, Cl₂, N₂, udara, H₂S, H₂, SiH₄, dsb., dengan tekanan kerja 6.7 × 10⁴ Pa. Secara alternatif, persekitaran vakum boleh digunakan, atau serbuk unsur S, Se atau Te boleh disalut pada permukaan silikon dalam vakum. Peringkat sasaran juga boleh direndam dalam air. Denyut femtosekon (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) yang dihasilkan oleh penguat regeneratif laser Ti:safir difokuskan oleh kanta dan disinari secara serenjang ke permukaan silikon (tenaga output laser dikawal oleh attenuator, yang terdiri daripada plat separuh gelombang dan polarizer). Dengan menggerakkan peringkat sasaran untuk mengimbas permukaan silikon dengan titik laser, bahan silikon hitam kawasan besar boleh diperolehi. Menukar jarak antara kanta dan wafer silikon boleh melaraskan saiz titik cahaya yang disinari pada permukaan silikon, sekali gus mengubah fluks laser; apabila saiz titik adalah malar, mengubah kelajuan pergerakan peringkat sasaran boleh melaraskan bilangan denyut yang disinari pada kawasan unit permukaan silikon. Gas kerja mempengaruhi bentuk mikrostruktur permukaan silikon dengan ketara. Apabila gas kerja adalah malar, mengubah fluks laser dan bilangan denyut yang diterima setiap unit kawasan boleh mengawal ketinggian, nisbah aspek dan jarak mikrostruktur.
1.2 Ciri-ciri Mikroskopik
Selepas penyinaran laser femtosaat, permukaan silikon kristal yang asalnya licin mempamerkan pelbagai struktur kon kecil yang tersusun separa sekata. Bahagian atas kon berada pada satah yang sama dengan permukaan silikon yang tidak disinari di sekelilingnya. Bentuk struktur kon berkaitan dengan gas kerja, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, di mana struktur kon yang ditunjukkan dalam (a), (b), dan (c) masing-masing terbentuk dalam atmosfera SF₆, S, dan N₂. Walau bagaimanapun, arah bahagian atas kon adalah bebas daripada gas dan sentiasa menghala ke arah kejadian laser, tidak terjejas oleh graviti, dan juga bebas daripada jenis doping, kerintangan, dan orientasi kristal silikon kristal; tapak kon adalah tidak simetri, dengan paksi pendeknya selari dengan arah pengkutuban laser. Struktur kon yang terbentuk di udara adalah yang paling kasar, dan permukaannya dilitupi dengan struktur nano dendritik yang lebih halus iaitu 10–100 nm.
Semakin tinggi fluks laser dan semakin banyak bilangan denyutan, semakin tinggi dan lebar struktur kon tersebut. Dalam gas SF6, ketinggian h dan jarak d bagi struktur kon mempunyai hubungan tak linear, yang boleh dinyatakan secara anggaran sebagai h∝dp, dengan p=2.4±0.1; kedua-dua ketinggian h dan jarak d meningkat dengan ketara dengan peningkatan fluks laser. Apabila fluks meningkat daripada 5 kJ/m² kepada 10 kJ/m², jarak d meningkat sebanyak 3 kali ganda, dan digabungkan dengan hubungan antara h dan d, ketinggian h meningkat sebanyak 12 kali ganda.
Selepas penyepuhlindapan suhu tinggi (1200 K, 3 jam) dalam vakum, struktur kon bagisilikon hitamtidak berubah dengan ketara, tetapi struktur nano dendritik 10–100 nm pada permukaan telah berkurangan dengan ketara. Spektroskopi penyaluran ion menunjukkan bahawa gangguan pada permukaan kon berkurangan selepas penyepuhlindapan, tetapi kebanyakan struktur yang tidak teratur tidak berubah di bawah keadaan penyepuhlindapan ini.
1.3 Mekanisme Pembentukan
Pada masa ini, mekanisme pembentukan silikon hitam masih belum jelas. Walau bagaimanapun, Eric Mazur et al. membuat spekulasi, berdasarkan perubahan bentuk mikrostruktur permukaan silikon dengan atmosfera kerja, bahawa di bawah rangsangan laser femtosaat berintensiti tinggi, terdapat tindak balas kimia antara gas dan permukaan silikon kristal, yang membolehkan permukaan silikon diukir oleh gas tertentu, membentuk kon tajam. Eric Mazur et al. mengaitkan mekanisme fizikal dan kimia pembentukan mikrostruktur permukaan silikon dengan: pencairan dan ablasi substrat silikon yang disebabkan oleh denyutan laser berfluensi tinggi; pengukiran substrat silikon oleh ion dan zarah reaktif yang dihasilkan oleh medan laser yang kuat; dan penghabluran semula bahagian silikon substrat yang diablasi.
Struktur kon pada permukaan silikon terbentuk secara spontan, dan susunan kuasi-sekata boleh dibentuk tanpa topeng. Shen et al., MY, melekatkan jejaring kuprum mikroskop elektron penghantaran setebal 2 μm pada permukaan silikon sebagai topeng, dan kemudian menyinari wafer silikon dalam gas SF6 dengan laser femtosaat. Mereka memperoleh susunan struktur kon yang tersusun dengan sangat teratur pada permukaan silikon, selaras dengan corak topeng (lihat Rajah 4). Saiz apertur topeng mempengaruhi susunan struktur kon dengan ketara. Pembelauan laser tuju oleh apertur topeng menyebabkan taburan tenaga laser yang tidak seragam pada permukaan silikon, mengakibatkan taburan suhu berkala pada permukaan silikon. Ini akhirnya memaksa susunan struktur permukaan silikon menjadi sekata.