Material iraultzaile berri bat – Silizio beltza
Silizio beltza siliziozko material mota berri bat da, propietate optoelektroniko bikainak dituena. Artikulu honek Eric Mazurrek eta beste ikertzaile batzuek azken urteotan silizio beltzari buruz egindako ikerketa-lana laburbiltzen du, silizio beltzaren prestaketa eta eraketa-mekanismoa zehaztuz, baita bere propietateak ere, hala nola xurgapena, lumineszentzia, eremu-igorpena eta erantzun espektrala. Era berean, silizio beltzak infragorri detektagailuetan, eguzki-zeluletan eta pantaila lauetan izan ditzakeen aplikazio potentzial garrantzitsuak azpimarratzen ditu.
Silizio kristalinoa oso erabilia da erdieroaleen industrian, dituen abantailak direla eta, hala nola, purifikatzeko erraztasuna, dopatzeko erraztasuna eta tenperatura altuko erresistentzia. Hala ere, eragozpen asko ere baditu, hala nola, argi ikusgaiaren eta infragorriaren islagarritasun handia bere gainazalean. Gainera, banda-tarte handia duelako,silizio kristalinoaezin du 1100 nm baino uhin-luzera handiagoak dituzten argiak xurgatu. Argi erasotzailearen uhin-luzera 1100 nm baino handiagoa denean, siliziozko detektagailuen xurgapen eta erantzun-tasa asko murrizten dira. Beste material batzuk, hala nola germanioa eta indio galio arseniuroa, erabili behar dira uhin-luzera horiek detektatzeko. Hala ere, kostu altuak, propietate termodinamiko eskasak eta kristalen kalitatea, eta dauden silizio-prozesu helduekin bateraezinak mugatzen dute haien aplikazioa siliziozko gailuetan. Beraz, silizio kristalinoaren gainazalen islapena murriztea eta siliziozko eta silizioarekin bateragarriak diren fotodetektagailuen detekzio-uhin-luzera tartea zabaltzea ikerketa-gai beroa da oraindik.
Silizio kristalinoaren gainazalen islapena murrizteko, hainbat metodo eta teknika esperimental erabili dira, hala nola fotolitografia, ioi erreaktiboen grabatua eta grabatu elektrokimikoa. Teknika hauek, neurri batean, silizio kristalinoaren gainazaleko eta gainazal hurbileko morfologia alda dezakete, horrela murriztuz.silizioa gainazaleko islapena. Argi ikusgaiaren tartean, islapena murrizteak xurgapena handitu eta gailuaren eraginkortasuna hobetu dezake. Hala ere, 1100 nm-tik gorako uhin-luzeretan, siliziozko banda-tartean xurgapen-energia mailarik sartzen ez bada, islapen murriztuak transmisioa handitzea baino ez du eragiten, silizioaren banda-tarteak, azken finean, uhin-luzera luzeko argiaren xurgapena mugatzen baitu. Beraz, silizioan oinarritutako eta silizioarekin bateragarriak diren gailuen uhin-luzera sentikorreko tartea zabaltzeko, beharrezkoa da banda-tartearen barruko fotoien xurgapena handitzea, aldi berean siliziozko gainazaleko islapena murrizten den bitartean.
1990eko hamarkadaren amaieran, Eric Mazur irakasleak eta Harvard Unibertsitateko beste batzuek material berri bat lortu zuten —silizio beltza— femtosegundoko laserren eta materiaren arteko elkarrekintzari buruzko ikerketan zehar, 1. irudian ikusten den bezala. Silizio beltzaren propietate fotoelektrikoak aztertzen ari zirela, Eric Mazur eta bere lankideak harrituta geratu ziren siliziozko material mikroegituratu honek propietate fotoelektriko bereziak zituela ikustean. Ia argi guztia xurgatzen du ultramore hurbileko eta infragorri hurbileko tartean (0,25–2,5 μm), eta lumineszentzia-ezaugarri bikainak ditu ikusgai eta infragorri hurbilean, eta eremu-igorpen propietate onak. Aurkikuntza honek sentsazioa eragin zuen erdieroaleen industrian, eta aldizkari garrantzitsuek lehiatu ziren horri buruz informatzeko. 1999an, Scientific American eta Discover aldizkariek, 2000. urtean Los Angeles Times zientzia atalak eta 2001ean New Scientist aldizkariak silizio beltzaren aurkikuntza eta bere aplikazio potentzialak eztabaidatzen zituzten artikulu nagusiak argitaratu zituzten, urrutiko detekzioa, komunikazio optikoak eta mikroelektronika bezalako arloetan balio potentzial handia zuela uste baitzuten.
Gaur egun, Frantziako T. Samet-ek, Irlandako Anoife M. Moloney-k, Txinako Fudan Unibertsitateko Zhao Li-k eta Txinako Zientzien Akademiako Men Haining-ek silizio beltzari buruzko ikerketa zabala egin dute eta hasierako emaitzak lortu dituzte. Massachusettsko (AEB) SiOnyx enpresa batek 11 milioi dolar bildu ditu arrisku-kapitalean beste enpresentzako teknologia-garapen plataforma gisa balio dezan, eta sentsoreetan oinarritutako siliziozko oblea beltzen ekoizpen komertziala hasi du, produktu amaituak hurrengo belaunaldiko infragorri irudi-sistemetan erabiltzeko prestatzen. Stephen Saylor-ek, SiOnyx-eko zuzendari nagusiak, adierazi du silizio beltzeko teknologiaren kostu baxuak eta sentikortasun handiko abantailak ikerketa eta irudi medikoen merkatuetan zentratutako enpresen arreta erakarriko dutela. Etorkizunean, milaka milioi dolarreko kamera digitalen eta bideo-kameraren merkatuan ere sar daiteke. SiOnyx-ek silizio beltzaren propietate fotovoltaikoekin esperimentatzen ari da, eta oso litekeena da...silizio beltzaetorkizunean eguzki-zeluletan erabiliko da. 1. Silizio beltzaren eraketa-prozesua
1.1 Prestaketa prozesua
Kristal bakarreko siliziozko obleak sekuentzialki garbitzen dira trikloroetilenoarekin, azetonarekin eta metanolarekin, eta ondoren hiru dimentsiotan mugitzen den helburu-plataforma batean jartzen dira huts-ganbera batean. Huts-ganberaren oinarrizko presioa 1,3 × 10⁻² Pa baino txikiagoa da. Lan-gasa SF₆, Cl₂, N₂, airea, H₂S, H₂, SiH₄, etab. izan daiteke, 6,7 × 10⁴ Pa-ko lan-presioarekin. Bestela, huts-ingurune bat erabil daiteke, edo S, Se edo Te hauts elementalak silizio-gainazalean estali daitezke hutsean. Helburu-plataforma uretan ere murgil daiteke. Ti:zafiro laser birsorkuntza-anplifikadore batek sortutako femtosegundo-pultsuak (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) lente batek fokatzen ditu eta siliziozko gainazalean perpendikularki irradiatzen dira (laser-irteerako energia atenuadore batek kontrolatzen du, eta hau erdi-uhineko plaka batek eta polarizatzaile batek osatzen dute). Helburu-etapa mugituz siliziozko gainazala laser-puntuarekin eskaneatzeko, azalera handiko siliziozko material beltza lor daiteke. Lentearen eta siliziozko oblearen arteko distantzia aldatzeak siliziozko gainazalean irradiatzen den argi-puntuaren tamaina doi dezake, eta horrela laser-fluxua aldatu; puntuaren tamaina konstantea denean, helburu-etapa mugitzeko abiadura aldatzeak siliziozko gainazaleko unitate-eremu batean irradiatzen diren pultsuen kopurua doi dezake. Lan-gasak nabarmen eragiten dio siliziozko gainazaleko mikroegituraren formari. Lan-gas konstantea denean, laser-fluxua eta unitate-eremu bakoitzeko jasotzen diren pultsuen kopurua aldatzeak mikroegituren altuera, alderdi-erlazioa eta tartea kontrola ditzake.
1.2 Ezaugarri mikroskopikoak
Femtosegundoko laser irradiazioaren ondoren, jatorriz leuna zen silizio kristalinoaren gainazalak ia erregularki antolatutako egitura koniko txikien multzo bat erakusten du. Konoen gailurrak inguruko silizio gainazal irradiatu gabearen plano berean daude. Egitura konikoaren forma lan-gasarekin lotuta dago, 2. irudian erakusten den bezala, non (a), (b) eta (c) puntuetan erakusten diren egitura konikoak SF₆, S eta N₂ atmosferan eratzen diren, hurrenez hurren. Hala ere, konoen gailurren norabidea gasarekiko independentea da eta beti laser intzidentziaren norabidean seinalatzen du, grabitateak eragin gabe, eta baita silizio kristalinoaren dopatze mota, erresistentzia eta kristal orientazioarekiko independentea ere; konoen oinarriak asimetrikoak dira, ardatz laburra laser polarizazio norabidearekiko paraleloa izanik. Airean eratutako egitura konikoak dira zakarrenak, eta haien gainazalak 10-100 nm-ko nanoegitura dendritiko are finagoekin estalita daude.
Zenbat eta laser-fluxu handiagoa eta zenbat eta pultsu gehiago, orduan eta altuagoak eta zabalagoak bihurtzen dira egitura konikoak. SF6 gasean, egitura konikoen h altuerak eta d tarteak erlazio ez-lineala dute, gutxi gorabehera h∝dp gisa adieraz daitekeena, non p=2.4±0.1; bai h altuerak bai d tarteak nabarmen handitzen dira laser-fluxua handitzen den heinean. Fluentzia 5 kJ/m²-tik 10 kJ/m²-ra handitzen denean, d tartea 3 aldiz handitzen da, eta h eta d arteko erlazioarekin konbinatuta, h altuera 12 aldiz handitzen da.
Hutsean tenperatura altuko errekuntzaren ondoren (1200 K, 3 h), egitura konikoaksilizio beltzaez zen nabarmen aldatu, baina gainazaleko 10-100 nm-ko nanoegitura dendritikoak asko murriztu ziren. Ioien kanalizazio espektroskopiak erakutsi zuen gainazal konikoaren desordena gutxitu egin zela erreketaren ondoren, baina desordenatutako egitura gehienak ez ziren aldatu erreketa-baldintza hauetan.
1.3 Eraketa-mekanismoa
Gaur egun, silizio beltzaren eraketa-mekanismoa ez dago argi. Hala ere, Eric Mazurrek eta bere lankideek, silizio-gainazaleko mikroegituraren formaren aldaketan oinarrituta, espekulatu zuten intentsitate handiko femtosegundoko laserren estimulazioaren pean, gasaren eta silizio kristalinoaren gainazalaren artean erreakzio kimiko bat gertatzen dela, eta horrek silizio-gainazala gas batzuek grabatzea ahalbidetzen duela, kono zorrotzak sortuz. Eric Mazurrek eta bere lankideek silizio-gainazaleko mikroegituraren eraketaren mekanismo fisiko eta kimikoak honako hauei egotzi zizkieten: silizio-substratuaren urtzea eta ablazioa, laser-pultsuen eraginez; silizio-substratuaren grabazioa, laser-eremu indartsuak sortutako ioi eta partikula erreaktiboen bidez; eta substratu-silizioaren ablazioaren zatiaren birkristalizazioa.
Siliziozko gainazaleko egitura konikoak berez sortzen dira, eta ia-erregular multzo bat osa daiteke maskararik gabe. MY Shen et al.-ek 2 μm-ko lodierako transmisio-elektroi mikroskopioko kobrezko sare bat itsatsi zioten siliziozko gainazalari maskara gisa, eta ondoren siliziozko oblea SF6 gasean irradiatu zuten femtosegundoko laser batekin. Siliziozko gainazalean egitura konikoen multzo oso erregular bat lortu zuten, maskararen ereduarekin bat etorriz (ikus 4. irudia). Maskararen irekiduraren tamainak nabarmen eragiten du egitura konikoen antolamenduan. Maskararen irekidurek eragindako laserrak difrakzioa eragiten du laser energiaren banaketa ez-uniformea siliziozko gainazalean, eta horrek tenperaturaren banaketa periodikoa eragiten du siliziozko gainazalean. Horrek, azken finean, siliziozko gainazaleko egitura multzoa erregular bihurtzera behartzen du.