Poröst kisel

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 15 maj 2015; kontroller kräver 6 redigeringar .

Poröst kisel ( por -Si eller PC) är kisel spräckligt med porer, det vill säga med en porös struktur.

Historik

Poröst kisel erhölls först av A. Uhlir 1956 i samband med forskning om processen för elektrokemisk polering av kiselytan i vattenhaltiga HF-lösningar. Under lång tid ansågs porösa kiselfilmer bara vara en laboratoriekuriosa och studerades inte i detalj. Ändå lockade detta material forskarnas uppmärksamhet, eftersom mekanismen för dess bildande var helt obegriplig.

Forskarnas extraordinära intresse för poröst kisel orsakades av ljusemissionen från poröst kisel vid rumstemperatur i det synliga området av spektrumet (röd-orange region) som upptäcktes 1990 av L. Kenham (L. Canham) när den bestrålades med en laser. Intresset för luminescensen hos kiselbaserade material beror på det faktum att hela halvledarindustrin är baserad på kisel, och enkristallkisel kan inte användas för att skapa ljusemitterande enheter, eftersom dess emissivitet är försumbar (mindre än 0,001 %) .

Under vissa förhållanden, i närvaro av ett oxidationsmedel, tenderar poröst kisel att antändas och detonera under mekaniska, elektriska och termiska effekter. Denna effekt noterades första gången 1992 av McCord, Yau och Bard (P. McCord S.-L. Yau och AJBard, Science 257 (1992) 68-69). Detonationsenergin för poröst nanostrukturerat kisel är ungefär fyra gånger högre än detonationsenergin för TNT . Nyligen har det föreslagits att använda detonation av poröst kisel för att initiera krockkuddar i bilar, i kassettjetmotorer av mikrosatelliter.

Klassificering

Poröst kisel klassificeras efter porstorlek:

Mikroporöst kisel — D < 2 nm.
Mesoporöst kisel — 2 nm < D < 50 nm.
Makroporöst kisel — D > 50 nm.

Får

Den traditionella metoden för att framställa poröst kisel är elektrokemisk etsning av enkristallkiselskivor ( c - Si) i en etanollösning av fluorvätesyra HF. Vid en positiv potential på kiselelektroden (anod) fortgår flerstegsreaktioner av kiselupplösning och reduktion. Den andra elektroden (katoden) är vanligtvis en platinaplatta. Med ett lämpligt val av elektrisk strömtäthet bildas ett poröst skikt på c -Si-ytan.

Det har konstaterats att tjockleken på den porösa kiselfilmen beror nästan linjärt på etsningstiden och kan variera från fraktioner till hundratals mikrometer. Det porösa skiktets struktur bestäms av strömtätheten , koncentrationen av HF i elektrolyten och arten av dopningen av kiselsubstratet .

I poröst kisel är arrangemanget av atomer som ärvts från substratet huvudsakligen bevarat. Omedelbart efter produktionen täcks ytan av kiselskelettet av porösa kiselprover med väte adsorberat i olika former . Exponering för luft, särskilt tillsammans med belysning, leder till betydande oxidation av materialet.

Mekanism för porbildning

Modellidéer om mekanismen för porbildning började bildas från mitten av 1960-talet, men en enda synvinkel har ännu inte utvecklats ( 2004 ).

För att sammanfatta de olika modellerna kan följande noteras. Si-ytan vid kontakt med vattenhaltiga lösningar av HF blir mättad med väte och blir kemiskt inert med avseende på elektrolyten . Om en potentialskillnad appliceras på elektroderna, börjar hålen i kiselskivan migrera till gränssnittet mellan kisel och elektrolyt. I detta fall befrias Si-atomerna från det blockerande vätet, börjar interagera med jonerna och elektrolytmolekylerna och passerar in i lösningen. Om elektrolysen utförs vid en hög strömtäthet kommer ett stort antal hål in i elektrodytan. De rör sig mot gränssnittet som en kontinuerlig front och ger reaktivitet till nästan varje Si-atom. Eftersom mikroutsprången har en större yta än plana ytor löses de upp snabbare. Sålunda jämnas kiselanodens yta gradvis ut. Detta är sättet för elektrokemisk polering.

Om elektrolysen utförs vid en låg strömtäthet är antalet hål inte tillräckligt för att organisera en kontinuerlig front och därför sker lokal upplösning av kisel på ytan. Enligt olika modeller kan kärnbildning av porer börja vid mikrogropar, strukturella defekter, mekaniskt belastade områden eller lokala störningar av ytpotentialfältet. Med tiden fortsätter de uppenbara porerna att växa djupt in i elektroden på grund av avdriften av hål till spetsarna på porerna, där den elektriska fältstyrkan är högre.

Egenskaper

Grad av porositet

Den viktigaste egenskapen hos poröst kisel, som bestämmer de flesta av dess fysikaliska parametrar, är graden av porositet eller porositet ( P ).

Det definieras av uttrycket:

P =

{\displaystyle {\rho _{Si}-\rho _{por)) \over \rho _{Si))

där ρ Si och ρ por -Si är densiteterna för enkristall- respektive poröst kisel.

För närvarande ( 2005 ) kan porositetsvärdena variera från 5 till 95 %.

Graden av provporositet bestäms vanligtvis med den gravimetriska metoden (vägning). Bestämning av porositet med denna metod utförs i tre steg:

Vägning av enkristallkiselskiva;
Etsa ett poröst lager på det och väga det resulterande provet;
Ta bort det porösa skiktet genom att etsa det från kiselsubstratet och väga provet igen.

Felet i den gravimetriska metoden vid små tjocklekar (upp till 10 µm) av det porösa skiktet och stora porositeter (mer än 70 %) kan nå 15–20 %. Dessutom leder användningen av sådan kontroll av graden av porositet till att provet förstörs, eftersom det porösa skiktet avlägsnas från det under mätningar.

Egenskaper

Specifik yta

En karakteristisk egenskap hos poröst kisel är den stora totala ytan av dess inre yta. Beroende på porositeten och porgeometrin kan den variera från 10 till 100 m²/cm³ för makroporöst kisel, från 100 till 300 m²/cm³ för mesoporöst kisel och från 300 till 800 m²/cm³ för nanoporöst kisel.

Resistivitet

Poröst kisel, beroende på etsningsförhållandena, har ett brett spektrum av resistivitetsvärden 10–2–10 11 Ω cm.

Värmeledningsförmåga

Värmeledningsförmågan för mycket poröst kisel är mer än en storleksordning lägre än för enkristallkisel (~10 W/mK vid 300 K).

Optiska egenskaper

De optiska egenskaperna hos poröst kisel skiljer sig också väsentligt från bulkmaterialets. Speciellt skiftas kanten av absorptionsspektrumet för det porösa skiktet separerat från substratet, beroende på porositeten, mot stor hν med avseende på E g0 med 100–500 meV.

Fotoluminescens

Den mest överraskande egenskapen hos poröst kisel är dess förmåga att effektivt luminescera i det synliga området av spektrumet.

Redan i de första experimenten blev det klart att prover av poröst kisel, i vilka porositeten överstiger 50 %, effektivt lyser. Effektiviteten för fotoluminescens kan nå tiotals procent. Strålningsvåglängden kan styras genom att ändra anodiseringsförhållandena . Det visade sig vara möjligt att få de röda, gröna och blå färgerna som behövs för tillverkning av färgdisplayer.

Elektroluminescens

Elektroluminescens i poröst kisel har studerats i mindre utsträckning än fotoluminescens . Samtidigt är de mest attraktiva utsikterna för den praktiska användningen av poröst kisel som ett material för att skapa ljusemitterande enheter ( lysdioder , platta färgskärmar) förknippade med elektroluminescens. Det antas att porösa kisellysdioder kommer att vara mycket billigare än de som för närvarande tillverkas på basis av halvledarföreningar.

De största svårigheterna är:

Låg effektivitet av elektroluminescens;
Snabb nedbrytning av strukturer.

Effektiviteten hos de första elektroluminescerande enheterna var låg ( 10–5 %), men för närvarande har det varit möjligt att belysa orsakerna till åldrandet av ljusavgivande poröst kisel och skissera sätt att skapa tidsstabila strukturer. Fenomenet fotoluminescens upprätthålls effektivt genom att föra in kol- eller järnatomer i volymen , och moderna elektroluminescerande enheter har en livslängd på flera år med en kvantverkningsgrad på cirka 10–1 %.

Applikation

Skapande av tjocka dielektriska filmer

För att skapa kiselenheter som arbetar vid höga spänningar finns det ett behov av tjocka dielektriska skikt med en tjocklek på mer än 10 mikron. Emellertid kan dielektriska Si02 -filmer som erhålls genom att oxidera konventionellt kisel inte vara tjockare än några mikrometer. Det visade sig att poröst kisel är väl lämpat för att lösa detta problem. Om detta material utsätts för termisk oxidation, på grund av det utvecklade porsystemet, kan syremolekyler penetrera hela tjockleken av poröst kisel och leda till dess fullständiga oxidation.

Optimala för dessa ändamål är skikt med en porositet på cirka 50 %. Det är viktigt att notera att processen för bildning av dielektriska filmer med hjälp av porösa skikt sker vid temperaturer lägre än vid traditionell termisk oxidation av kisel.

Isolerande bas för kisel-på-isolatorstrukturer

I mitten av 1970-talet hade tätheten av element i integrerade kretsar ökat så mycket att det var nödvändigt att hitta ett sätt att eliminera läckströmmar mellan dem genom kiselsubstratet. För detta föreslogs en kisel-på-isolator (SOI) struktur. SOI-strukturen är en bas gjord av ett dielektriskt material med ett växtskikt av enkristallkisel. I detta fall bildas elementen i integrerade kretsar i skiktets volym, varefter driften av lokal oxidation utförs längs deras omkrets, och varje element blir isolerat från sina grannar. Oxiderat poröst kisel visade sig vara en isolerande bas för SOI-strukturer redan i de första experimenten.

Buffertlager

Kisel med låg porositet (P < 30%) visade sig vara ett effektivt buffertskikt i epitaxi av enkristallfilmer av andra halvledare på kisel. Huvudvillkoret för att odla högkvalitativa lager är närheten till gitterkonstanterna för kisel och det applicerade materialet. Det är dock möjligt att odla lager med stor gallermissanpassning om mellanliggande (buffert) lager används. Användningen av ett buffertskikt av poröst kisel gjorde det möjligt att lösa problemet med att odla högkvalitativa GaAs , PbS , PbTe och andra halvledarfilmer när man odlar strukturer på ett kiselsubstrat.

Växande strukturer i nanoskala

I poröst kisel, under elektrokemisk etsning, är det möjligt att erhålla kvantprickar , kvanttrådar , element med olika fraktala dimensioner. Därför bör poröst kisel med P > 50% betraktas som ett av materialen för nanoelektronik . Dessutom kan det vara lovande att fylla porerna med andra kemiska föreningar, vilket gör det möjligt att bilda ytterligare lågdimensionella element i volymen av poröst kisel.

Skapande av ljusemitterande enheter

Som redan nämnts beror det största intresset för poröst kisel på dess förmåga att effektivt avge ljus i det synliga området, till skillnad från enkristallkisel. Detta kan användas för att skapa mycket billigare ljusavgivande enheter ( lysdioder , platta färgskärmar).

Skapa ljusguider

För ändamålen med integrerad optik används plana ljusledare , som är en filmstruktur där ljus fortplantar sig i ett skikt med ett högt brytningsindex, begränsat på båda sidor av skikt med ett lägre brytningsindex (effekten av total intern reflektion) . För poröst kisel beror detta index på porositet (ju större porositet, desto lägre brytningsindex), och därför gör bildningen av flerskiktsstrukturer med olika porositet det möjligt att erhålla vågledarelement med låg förlust på basis av dessa. Absorptionsförluster kan minskas ytterligare genom att oxidera skikten av poröst kisel. Liknande ljusledare kan också göras på basis av poröst glas .

Skapande av olika sensorer

Eftersom poröst kisel har en mycket hög specifik yta kan det användas för att skapa fuktsensorer, gassensorer, kemiska och biologiska sensorer. Funktionsprincipen för sådana sensorer är baserad på påverkan av externa molekyler på ytans elektroniska tillstånd, vilket leder till hög känslighet när det gäller poröst kisel. Typiskt upptäcker sådana sensorer förändringar i de kapacitiva, ledande och luminescerande egenskaperna hos poröst kisel i närvaro av specificerade molekyler i en kontrollerad miljö. Begränsningar i kontakt- och ytegenskaperna hos detta material, såväl som hög kemisk aktivitet i en oxiderande miljö, förknippad med dess grundläggande egenskaper, tillåter inte bara att skapa sensorer som är resistenta mot yttre påverkan (inte nedbrytande ens vid N.O.) sensorer, utan kräver också periodisk, komplex kalibrering beroende på deras driftsförhållanden.

Använd i fotodynamisk terapi

Det har visat sig att fotoexciterat poröst kisel kan generera singlettsyre . Eftersom kisel i sig inte är giftigt för kroppen är dess tillämpning inom detta område mycket lovande. Kisel oxiderar snabbt och blir kemiskt inert kiseloxid, vilket inte är fallet med nuvarande läkemedel som används i fotodynamisk terapi . En annan fördel är den låga kostnaden för poröst kisel.

Se även

kvanttråd

Litteratur

Feng ZC, Tsu R., red. (1994). Poröst kisel. Singapore: World Scientific. ISBN 981-02-1634-3 .