Siliciu poros

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 15 mai 2015; verificările necesită 6 modificări .

Siliciul poros ( por -Si sau PC) este siliciu pătat cu pori, adică având o structură poroasă.

Istorie

Siliciul poros a fost obținut pentru prima dată de A. Uhlir în 1956 în cursul cercetărilor privind procesul de lustruire electrochimică a suprafeței de siliciu în soluții apoase de HF. Multă vreme, filmele poroase de siliciu au fost considerate doar o curiozitate de laborator și nu au fost studiate în detaliu. Cu toate acestea, acest material a atras atenția cercetătorilor, deoarece mecanismul formării sale a fost complet de neînțeles.

Interesul extraordinar al cercetătorilor pentru siliciul poros a fost cauzat de emisia de lumină de către siliciul poros la temperatura camerei în regiunea vizibilă a spectrului (regiunea roșu-portocalie) descoperită în 1990 de L. Kenham (L. Canham) când a fost iradiat cu un laser. Interesul pentru luminescența materialelor pe bază de siliciu se datorează faptului că întreaga industrie a semiconductoarelor se bazează pe siliciu, iar siliciul monocristal nu poate fi folosit pentru a crea dispozitive care emit lumină, deoarece emisivitatea sa este neglijabilă (mai puțin de 0,001%). .

În anumite condiții, în prezența unui agent oxidant, siliciul poros tinde să se aprindă și să detoneze sub efecte mecanice, electrice și termice. Acest efect a fost observat pentru prima dată în 1992 de către McCord, Yau şi Bard (P. McCord S.-L. Yau şi AJBard, Science 257 (1992) 68-69). Energia de detonare a siliciului nanostructurat poros este de aproximativ patru ori mai mare decât energia de detonare a TNT . Recent, s-a propus utilizarea detonării siliciului poros pentru a iniția airbag-uri în mașini, în motoarele cu reacție cu casete ale microsateliților.

Clasificare

Siliciul poros este clasificat după dimensiunea porilor:

Siliciu microporos — D < 2 nm.
Siliciu mezoporos — 2 nm < D < 50 nm.
Siliciu macroporos — D > 50 nm.

Obținerea

Metoda tradițională de producere a siliciului poros este gravarea electrochimică a plachetelor de siliciu monocristal ( c - Si) într-o soluție de etanol de acid fluorhidric HF. La un potențial pozitiv pe electrodul de siliciu (anod), au loc reacții în mai multe etape de dizolvare și reducere a siliciului. Al doilea electrod (catod) este de obicei o placă de platină. Cu o alegere adecvată a densității curentului electric , se formează un strat poros pe suprafața c -Si.

S-a stabilit că grosimea filmului de siliciu poros depinde aproape liniar de timpul de gravare și poate varia de la fracțiuni la sute de micrometri. Structura stratului poros este determinată de densitatea de curent , concentrația de HF în electrolit și natura dopajului substratului de siliciu .

În siliciul poros, aranjamentul atomilor moștenit de la substrat este în principal păstrat. Imediat după producție, suprafața scheletului de siliciu al probelor de siliciu poros este acoperită cu hidrogen adsorbit în diferite forme . Expunerea la aer, în special însoțită de iluminare, duce la oxidarea semnificativă a materialului.

Mecanismul de formare a porilor

Ideile model despre mecanismul formării porilor au început să se formeze de la mijlocul anilor 1960, dar un singur punct de vedere nu a fost încă dezvoltat ( 2004 ).

Rezumând diferitele modele, se pot observa următoarele. Suprafața Si la contactul cu soluțiile apoase de HF devine saturată cu hidrogen și devine inertă chimic față de electrolit . Dacă se aplică electrozilor o diferență de potențial, atunci găurile din placa de siliciu încep să migreze către interfața siliciu-electrolit. În acest caz, atomii de Si sunt eliberați de hidrogenul de blocare, încep să interacționeze cu ionii și moleculele de electroliți și trec în soluție. Dacă electroliza este efectuată la o densitate mare de curent, atunci un număr mare de găuri intră pe suprafața electrodului. Ele se deplasează spre interfață ca un front continuu și oferă reactivitate la aproape fiecare atom de Si. Deoarece microproeminențele au o suprafață mai mare decât zonele plate, se dizolvă mai repede. Astfel, suprafața anodului de siliciu este nivelată treptat. Acesta este modul de lustruire electrochimică.

Dacă electroliza este efectuată la o densitate scăzută de curent, atunci numărul de găuri nu este suficient pentru a organiza un front continuu și, prin urmare, are loc dizolvarea locală a siliciului la suprafață. Conform diverselor modele, nuclearea porilor poate începe la microgropi, defecte structurale, zone tensionate mecanic sau perturbări locale ale câmpului potențial de suprafață. De-a lungul timpului, porii apariți continuă să crească adânc în electrod datorită deplasării găurilor către vârfurile porilor, unde puterea câmpului electric este mai mare.

Caracteristici

Gradul de porozitate

Cea mai importantă caracteristică a siliciului poros, care determină majoritatea parametrilor săi fizici, este gradul de porozitate sau porozitate ( P ).

Este definit prin expresia:

P =

{\rho _{Si}-\rho _{por)} \peste \rho _{Si)

unde ρ Si și ρ por -Si sunt densitățile siliciului monocristal și, respectiv, poros.

În prezent ( 2005 ) valorile porozității pot varia de la 5 la 95%.

Gradul de porozitate a probei este determinat de obicei prin metoda gravimetrică (cântărire). Determinarea porozității prin această metodă se realizează în trei etape:

Cântărirea plachetelor de siliciu monocristal;
Gravarea unui strat poros pe acesta și cântărirea probei rezultate;
Îndepărtarea stratului poros prin gravarea acestuia de pe substratul de siliciu și cântărirea din nou a probei.

Eroarea metodei gravimetrice la grosimi mici (până la 10 µm) ale stratului poros și porozități mari (mai mult de 70%) poate ajunge la 15-20%. Mai mult, utilizarea unui astfel de control al gradului de porozitate duce la distrugerea probei, deoarece stratul poros este îndepărtat din acesta în timpul măsurătorilor.

Proprietăți

Suprafață specifică

O trăsătură caracteristică a siliciului poros este suprafața totală mare a suprafeței sale interioare. În funcție de porozitate și geometria porilor, poate varia de la 10 la 100 m²/cm³ pentru siliciul macroporos, de la 100 la 300 m²/cm³ pentru siliciul mezoporos și de la 300 la 800 m²/cm³ pentru siliciul nanoporos.

Rezistivitate

Siliciul poros, în funcție de condițiile de gravare, are o gamă largă de valori de rezistivitate 10–2–10 11 Ω cm.

Conductivitate termică

Conductivitatea termică a siliciului foarte poros este cu mai mult de un ordin de mărime mai mică decât cea a siliciului monocristal (~10 W/mK la 300 K).

Proprietăți optice

Proprietățile optice ale siliciului poros diferă, de asemenea, semnificativ de cele ale materialului în vrac. În special, marginea spectrului de absorbție al stratului poros separat de substrat, în funcție de porozitate, este deplasată către hν mare în raport cu E g0 cu 100–500 meV.

Fotoluminiscență

Cea mai surprinzătoare proprietate a siliciului poros este capacitatea sa de a luminesce eficient în regiunea vizibilă a spectrului.

Deja în primele experimente, a devenit clar că probele de siliciu poros, în care porozitatea depășește 50%, luminesc efectiv. Eficiența fotoluminiscenței poate ajunge la zeci de procente. Lungimea de undă a radiației poate fi controlată prin modificarea condițiilor de anodizare . S-a dovedit a fi posibilă obținerea culorilor roșu, verde și albastru necesare pentru fabricarea afișajelor color.

Electroluminiscență

Electroluminiscența în siliciul poros a fost studiată într-o măsură mai mică decât fotoluminiscența . În același timp, cele mai atractive perspective pentru utilizarea practică a siliciului poros ca material pentru crearea de dispozitive care emit lumină ( LED-uri , afișaje color plate) sunt asociate cu electroluminiscența. Se presupune că LED-urile din siliciu poros vor fi mult mai ieftine decât cele produse în prezent pe bază de compuși semiconductori.

Principalele dificultăți sunt:

Eficiență scăzută a electroluminiscenței;
Degradarea rapidă a structurilor.

Eficiența primelor dispozitive electroluminiscente a fost scăzută ( 10–5 %), dar în prezent a fost posibil să se elucidaze motivele îmbătrânirii siliciului poros care emit lumină și să se schițeze modalități de a crea structuri stabile în timp. Fenomenul fotoluminiscenței este menținut eficient prin introducerea de atomi de carbon sau fier în volum , iar dispozitivele electroluminiscente moderne au o durată de viață de câțiva ani, cu o eficiență cuantică de aproximativ 10-1 %.

Aplicație

Crearea de filme groase dielectrice

Pentru a crea dispozitive de siliciu care funcționează la tensiuni înalte, este nevoie de straturi dielectrice groase cu o grosime mai mare de 10 microni. Totuși, filmele dielectrice de SiO 2 obținute prin oxidarea siliciului convențional nu pot fi mai groase de câțiva microni. S-a dovedit că siliciul poros este foarte potrivit pentru rezolvarea acestei probleme. Dacă acest material este supus oxidării termice, atunci datorită sistemului dezvoltat de pori, moleculele de oxigen sunt capabile să pătrundă în toată grosimea siliciului poros și să conducă la oxidarea completă a acestuia.

Optimale pentru aceste scopuri sunt straturile cu o porozitate de aproximativ 50%. Este important de menționat că procesul de formare a peliculelor dielectrice folosind straturi poroase are loc la temperaturi mai scăzute decât în oxidarea termică tradițională a siliciului.

Baza izolatoare pentru structuri de silicon pe izolator

Până la mijlocul anilor 1970, densitatea elementelor din circuitele integrate a crescut atât de mult încât a fost necesar să se găsească o modalitate de a elimina curenții de scurgere dintre ele prin substratul de siliciu. Pentru aceasta, a fost propusă o structură silicon-on-insulator (SOI). Structura SOI este o bază realizată dintr-un material dielectric cu un strat de siliciu monocristal crescut. În acest caz, elementele circuitelor integrate se formează în volumul stratului, după care se realizează operația de oxidare locală de-a lungul perimetrului lor, iar fiecare element devine izolat de vecinii săi. Siliciul poros oxidat sa dovedit a fi o bază izolatoare pentru structurile SOI deja în primele experimente.

Straturi tampon

Siliciul cu porozitate scăzută (P < 30%) s-a dovedit a fi un strat tampon eficient în epitaxia filmelor monocristaline ale altor semiconductori pe siliciu. Condiția principală pentru creșterea straturilor de înaltă calitate este apropierea constantelor rețelei de siliciu și a materialului aplicat. Cu toate acestea, este posibil să crească straturi cu o nepotrivire mare a rețelei dacă sunt utilizate straturi intermediare (tampon). Utilizarea unui strat tampon de siliciu poros a făcut posibilă rezolvarea problemei creșterii GaAs , PbS , PbTe și a altor filme semiconductoare de înaltă calitate la creșterea structurilor pe un substrat de siliciu.

Structuri în creștere la scară nanometrică

În siliciul poros, în timpul gravării electrochimice, este posibil să se obțină puncte cuantice , fire cuantice , elemente cu dimensiuni fractale diferite. Prin urmare, siliciul poros cu P > 50% ar trebui să fie considerat unul dintre materialele pentru nanoelectronică . Mai mult, poate fi promițătoare să umpleți porii cu alți compuși chimici, ceea ce va face posibilă formarea de elemente suplimentare de dimensiuni reduse în volumul de siliciu poros.

Crearea dispozitivelor emițătoare de lumină

După cum sa menționat deja, interesul principal pentru siliciul poros se datorează capacității sale de a emite în mod eficient lumină în domeniul vizibil, spre deosebire de siliciul monocristal. Acest lucru poate fi folosit pentru a crea dispozitive care emit lumină mult mai ieftine ( LED-uri , afișaje color plate).

Crearea ghidurilor de lumină

În scopul opticii integrale, se folosesc ghiduri de lumină plane , care sunt o structură de film în care lumina se propagă într-un strat cu un indice de refracție ridicat, delimitat pe ambele părți de straturi cu un indice de refracție mai mic (efectul reflexiei interne totale) . Pentru siliciul poros, acest indice depinde de porozitate (cu cât porozitatea este mai mare, cu atât indicele de refracție este mai mic) și, prin urmare, formarea de structuri multistrat cu porozitate diferită face posibilă obținerea unor elemente de ghid de undă cu pierderi reduse pe baza acestora. Pierderile prin absorbție pot fi reduse și mai mult prin oxidarea straturilor de siliciu poros. Ghiduri de lumină similare pot fi realizate și pe baza de sticlă poroasă .

Crearea diverșilor senzori

Deoarece siliciul poros are o suprafață specifică foarte mare, acesta poate fi utilizat pentru a crea senzori de umiditate, senzori de gaz, chimici și biologici. Principiul de funcționare a unor astfel de senzori se bazează pe influența moleculelor externe asupra stării electronice a suprafeței, ceea ce duce la o sensibilitate ridicată în cazul siliciului poros. De obicei, astfel de senzori detectează modificări ale proprietăților capacitive, conductoare și luminiscente ale siliciului poros în prezența moleculelor specificate într-un mediu controlat. Limitările în ceea ce privește proprietățile de contact și de suprafață ale acestui material, precum și activitatea chimică ridicată într-un mediu oxidant, asociată cu caracteristicile sale fundamentale, nu permit nu numai crearea de senzori rezistenți la influențele externe (care nu se degradează nici măcar la N.O.), ci necesită, de asemenea, calibrare periodică, complexă, în funcție de condițiile lor de funcționare.

Utilizare în terapia fotodinamică

S-a descoperit că siliciul poros fotoexcitat poate genera oxigen singlet . Deoarece siliciul în sine nu este toxic pentru organism, aplicarea lui în acest domeniu este foarte promițătoare. Siliciul se oxidează rapid pentru a deveni oxid de siliciu inert din punct de vedere chimic, ceea ce nu este cazul medicamentelor curente utilizate în terapia fotodinamică . Un alt avantaj este costul scăzut al siliciului poros.

Vezi și

fir cuantic

Literatură

Feng ZC, Tsu R., ed. (1994). Siliciu poros. Singapore: World Scientific. ISBN 981-02-1634-3 .