Materyaleke Nû ya Şoreşger - Silîkona Reş
Sîlîkona reş cureyekî nû yê materyalê sîlîkonê ye ku xwedî taybetmendiyên optoelektronîkî yên hêja ye. Ev gotar xebata lêkolînê ya Eric Mazur û lêkolînerên din ên di salên dawî de li ser sîlîkona reş kurteber dike, mekanîzmaya amadekirin û çêbûna sîlîkona reş, û her weha taybetmendiyên wê yên wekî vegirtin, ronîkirin, emîsyona zeviyê û bersiva spektral bi hûrgilî rave dike. Her wiha destnîşan dike ku sîlîkona reş di detektorên înfrared, şaneyên rojê û ekranên panelên daîre de serîlêdanên potansiyel ên girîng hene.
Silîkona krîstalî ji ber avantajên wê yên wekî hêsaniya paqijkirinê, hêsaniya dopîngkirinê û berxwedana li hember germahiya bilind, di pîşesaziya nîvconductoran de bi berfirehî tê bikar anîn. Lêbelê, gelek kêmasiyên wê jî hene, wekî refleksîfbûna bilind a ronahiya xuya û înfrared li ser rûyê wê. Wekî din, ji ber valahiya wê ya mezin a bendê,silîkona krîstalînikarin ronahiyê bi dirêjahiya pêlê ya ji 1100 nm mezintir vebigirin. Dema ku dirêjahiya pêlê ya ronahiya ketî ji 1100 nm mezintir be, rêjeya vebigirin û bersivdayînê ya detektorên silîkonê pir kêm dibe. Divê materyalên din ên wekî germanyûm û îndyûm gallyûm arsenîd ji bo tespîtkirina van dirêjahiya pêlê werin bikar anîn. Lêbelê, lêçûna bilind, taybetmendiyên termodînamîkî yên nebaş û kalîteya krîstalê, û nelihevhatina bi pêvajoyên silîkonê yên gihîştî yên heyî re sepandina wan di cîhazên li ser bingeha silîkonê de sînordar dike. Ji ber vê yekê, kêmkirina refleksa rûyên silîkonê yên krîstalî û dirêjkirina rêza dirêjahiya pêlê ya tespîtkirinê ya fotodetektorên li ser bingeha silîkonê û yên lihevhatî yên silîkonê mijarek lêkolînê ya germ dimîne.
Ji bo kêmkirina şewqa rûyên silîkona krîstalî, gelek rêbaz û teknîkên ceribandinê hatine bikar anîn, wek fotolîtografî, gravkirina îyonên reaktîf, û gravkirina elektroşîmyayî. Ev teknîk, heta radeyekê, dikarin morfolojiya rûber û nêzîkî rûberê ya silîkona krîstalî biguherînin, bi vî awayî kêm bikin.silîkon refleksa rûyê erdê. Di rêza ronahiya xuya de, kêmkirina refleksê dikare vegirtinê zêde bike û karîgeriya cîhazê baştir bike. Lêbelê, di dirêjahiya pêlên ku ji 1100 nm zêdetir in, heke asta enerjiya vegirtinê nekevin nav valahiya benda silîkonê, kêmkirina refleksê tenê dibe sedema zêdebûna veguhestinê, ji ber ku valahiya bendê ya silîkonê di dawiyê de vegirtina wê ya ronahiya dirêj-pêlê sînordar dike. Ji ber vê yekê, ji bo berfirehkirina rêza dirêjahiya pêlên hesas ên cîhazên li ser bingeha silîkonê û yên lihevhatî bi silîkonê re, pêdivî ye ku vegirtina fotonê di nav valahiya bendê de zêde bibe û di heman demê de refleksa rûyê silîkonê kêm bike.
Di dawiya salên 1990î de, Profesor Eric Mazur û yên din li Zanîngeha Harvardê di dema lêkolîna xwe ya li ser têkiliya lazerên femtoçirkeyan bi madeyê re, wekî ku di Wêne 1 de tê xuyang kirin, materyalek nû - silîkona reş - bi dest xistin. Dema ku taybetmendiyên fotoelektrîkî yên silîkona reş dixwend, Eric Mazur û hevkarên wî matmayî man ku kifş kirin ku ev materyalê silîkona mîkrostrukturkirî xwedan taybetmendiyên fotoelektrîkî yên bêhempa ye. Ew hema hema hemî ronahiyê di rêza nêzîkî ultraviyole û nêzîkî înfrared (0.25–2.5 μm) de vedigire, taybetmendiyên lûmînesansa xuya û nêzîkî înfrared ên hêja û taybetmendiyên emîsyona zeviyê yên baş nîşan dide. Vê vedîtinê di pîşesaziya nîvconductor de sansasyonek çêkir, û kovarên mezin ji bo raporên li ser wê pêşbaziyê kirin. Di sala 1999an de, kovarên Scientific American û Discover, di sala 2000an de beşa zanistê ya Los Angeles Times, û di sala 2001an de kovara New Scientist hemî gotarên taybetî weşandin ku li ser vedîtina silîkona reş û sepanên wê yên potansiyel nîqaş dikin, bawer dikin ku ew di warên wekî dûrbînê, ragihandina optîkî û mîkroelektronîkê de xwedî nirxek potansiyel a girîng e.
Niha, T. Samet ji Fransayê, Anoife M. Moloney ji Îrlandayê, Zhao Li ji Zanîngeha Fudan li Çînê, û Men Haining ji Akademiya Zanistên Çînê hemîyan lêkolînek berfireh li ser silîkona reş kirine û encamên pêşîn bi dest xistine. SiOnyx, pargîdaniyek li Massachusetts, Dewletên Yekbûyî yên Amerîkayê, heta 11 mîlyon dolar sermayeya xeternak berhev kiriye da ku wekî platformek pêşkeftina teknolojiyê ji bo pargîdaniyên din xizmet bike, û dest bi hilberîna bazirganî ya waferên silîkona reş ên li ser bingeha sensor kiriye, û amadekariya karanîna hilberên qedandî di pergalên wênekirina înfrared ên nifşê pêşerojê de kiriye. Stephen Saylor, CEO yê SiOnyx, diyar kir ku lêçûna kêm û avantajên hesasiyeta bilind ên teknolojiya silîkona reş dê bê guman bala pargîdaniyên ku li ser lêkolîn û bazarên wênekirina bijîşkî disekinin bikişîne. Di pêşerojê de, dibe ku ew bikeve bazara kameraya dîjîtal û kamerayên vîdyoyê yên bi mîlyaran dolarî. SiOnyx niha bi taybetmendiyên fotovoltaîk ên silîkona reş jî ceribandinê dike, û pir mimkûn e kusilîkona reşdê di pêşerojê de di xaneyên rojê de were bikar anîn. 1. Pêvajoya Çêbûna Silîkona Reş
1.1 Pêvajoya Amadekariyê
Waflên silîkonê yên krîstal-yekane bi trîkloroetîlen, aseton û metanolê bi rêzê têne paqijkirin, û dûv re li ser qonaxek hedef a sê-alî ya guhêrbar di odeyek valahiyê de têne danîn. Zeexta bingehîn a odeya valahiyê ji 1.3 × 10⁻² Pa kêmtir e. Gaza xebatê dikare SF₆, Cl₂, N₂, hewa, H₂S, H₂, SiH₄, û hwd. be, bi zextek xebatê ya 6.7 × 10⁴ Pa. Wekî din, hawîrdorek valahiyê dikare were bikar anîn, an jî tozên elementî yên S, Se, an Te dikarin di valahiyek de li ser rûyê silîkonê werin pêçandin. Qonaxa hedef dikare di nav avê de jî were binav kirin. Pulsên femtoçirkeyan (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) ku ji hêla amplîfîkatorek nûjenkirina lazerê Ti:safîr ve têne çêkirin, ji hêla lensê ve têne fokus kirin û bi awayekî perpendîkular li ser rûyê silîkonê têne tîrêj kirin (enerjiya derana lazerê ji hêla lazerê ve tê kontrol kirin, ku ji plakaya nîv-pêl û polarîzatorek pêk tê). Bi veguheztina qonaxa hedef ji bo şopandina rûyê silîkonê bi xala lazerê, materyalê silîkonê yê reş ê qada mezin dikare were bidestxistin. Guhertina dûrahiya di navbera lens û wafera silîkonê de dikare mezinahiya xala ronahiyê ya li ser rûyê silîkonê tê tîrêj kirin rast bike, bi vî rengî herikîna lazerê diguherîne; dema ku mezinahiya xalê sabît be, guhertina leza tevgerê ya qonaxa hedef dikare hejmara pulsên ku li ser yekîneya rûbera silîkonê têne tîrêj kirin rast bike. Gaza xebatê bi girîngî bandorê li şeklê mîkroavahiya rûyê silîkonê dike. Dema ku gaza xebatê sabît be, guhertina herikîna lazerê û hejmara pulsên ku li ser yekîneya rûberê têne wergirtin dikare bilindahî, rêjeya aliyan û mesafeya mîkroavahiyan kontrol bike.
1.2 Taybetmendiyên Mîkroskopîk
Piştî tîrêjkirina lazerê ya femtoçirkeyan, rûyê silîkona krîstalî ya nerm a di destpêkê de rêzek ji avahiyên konîkî yên piçûk ên bi rêkûpêk hatine rêzkirin nîşan dide. Serên konê li ser heman rûbera silîkona netîrêjkirî ya derdorê ne. Şêweyê avahiya konîkî bi gaza xebatê ve girêdayî ye, wekî ku di Wêne 2 de tê xuyang kirin, ku avahiyên konîkî yên ku di (a), (b) û (c) de têne xuyang kirin, bi rêzê ve di atmosferên SF₆, S, û N₂ de têne çêkirin. Lêbelê, rêça serên konê ji gazê serbixwe ye û her gav ber bi rêça ketina lazerê ve nîşan dide, ji hêla gravîtasyonê ve nayê bandor kirin, û her weha ji celebê dopîngê, berxwedanê, û rêça krîstal a silîkona krîstalî serbixwe ye; bingehên konê asîmetrîk in, bi eksena wan a kurt paralel bi rêça polarîzasyona lazerê re. Avahiyên konîkî yên ku di hewayê de çêdibin herî hişk in, û rûyên wan bi nanostrukturên dendrîtîk ên hîn ziravtir ên 10-100 nm hatine nixumandin.
Her ku herikîna lazerê bilindtir û hejmara pulsan zêdetir bibe, avahiyên konîk bilindtir û firehtir dibin. Di gaza SF6 de, bilindahiya h û mesafeya d ya avahiyên konîk têkiliyek ne-xêzî heye, ku dikare bi qasî h∝dp were îfade kirin, ku p=2.4±0.1; hem bilindahiya h û hem jî mesafeya d bi zêdebûna herikîna lazerê re pir zêde dibin. Dema ku herikîn ji 5 kJ/m² ber bi 10 kJ/m² zêde dibe, mesafeya d 3 caran zêde dibe, û bi têkiliya di navbera h û d de, bilindahiya h 12 caran zêde dibe.
Piştî germkirina di germahiya bilind de (1200 K, 3 h) di valahiyek de, avahiyên konîk ênsilîkona reşgirîng neguherî, lê nanostruktûrên dendrîtîk ên 10-100 nm li ser rûyê pir kêm bûn. Spektroskopiya kanalîzasyona îyonê nîşan da ku bêserûberiya li ser rûyê konîk piştî germkirinê kêm bû, lê piraniya avahiyên bêserûber di bin van şert û mercên germkirinê de neguherîn.
1.3 Mekanîzma Avakirinê
Niha, mekanîzmaya çêbûna silîkona reş ne diyar e. Lêbelê, Eric Mazur û hevkarên wî, li ser bingeha guhertina şeklê mîkroavahîya rûyê silîkonê bi atmosfera xebatê re, texmîn kirin ku di bin teşwîqkirina lazerên femtoçirkeyî yên bi şîddeta bilind de, reaksiyonek kîmyewî di navbera gaz û rûyê silîkona krîstalî de çêdibe, ku dihêle rûyê silîkonê ji hêla hin gazan ve were kolandin, konên tûj çêbike. Eric Mazur û hevkarên wî mekanîzmayên fîzîkî û kîmyewî yên çêbûna mîkroavahîya rûyê silîkonê bi van ve girêdidin: helandin û ablasyona substrata silîkonê ku ji ber pulsên lazerê yên bi fluensa bilind çêdibe; kolandina substrata silîkonê ji hêla îyon û perçeyên reaktîf ên ku ji hêla zeviya lazerê ya bihêz ve têne çêkirin; û ji nû ve krîstalîzasyona beşa ablasyonkirî ya substrata silîkonê.
Avahiyên konîk ên li ser rûyê silîkonê bi awayekî xweber çêdibin, û rêzek nîv-birêkûpêk dikare bêyî maskek çêbibe. MY Shen û hevkarên wî toreke sifir a mîkroskopa elektronîkî ya veguhestinê ya bi stûriya 2 μm wekî maskek li ser rûyê silîkonê girê dan, û dûv re wafera silîkonê di gaza SF6 de bi lazerek femtoçirkeyan tîrêj kirin. Wan rêzek avahiyên konîk ên pir birêkûpêk li ser rûyê silîkonê bi dest xistin, ku li gorî şêweya maskê ye (li Wêne 4 binêre). Mezinahiya vebûna maskê bandorek girîng li ser rêzkirina avahiyên konîk dike. Belavbûna lazera ketî ji hêla vebûnên maskê ve dibe sedema belavkirinek ne-yekreng a enerjiya lazerê li ser rûyê silîkonê, ku di encamê de belavkirinek germahiyê ya periyodîk li ser rûyê silîkonê çêdibe. Ev di dawiyê de rêza avahiya rûyê silîkonê neçar dike ku bibe birêkûpêk.