Czarny silikon

Czarny krzem jest materiałem półprzewodnikowym , modyfikacją powierzchni krzemu o bardzo niskim współczynniku odbicia i odpowiednio wysokiej absorpcji światła widzialnego (i podczerwonego ).

Modyfikację odkryto w latach 80. XX wieku jako niepożądany efekt uboczny trawienia reaktywnego jonu (RIE). Inne metody tworzenia podobnej struktury obejmują wytrawianie elektrochemiczne, wytrawianie plamami, wytrawianie chemiczne wspomagane metalem i obróbkę laserową (opracowaną w laboratorium Erica Mazura na Uniwersytecie Harvarda ).

Czarny krzem stał się głównym atutem przemysłu fotowoltaicznego , ponieważ umożliwia większą wydajność konwersji światła na energię elektryczną w standardowych ogniwach słonecznych z krzemu krystalicznego , co znacznie obniża ich koszty.

Nieruchomości

Skaningowa mikrografia elektronowa czarnego krzemu, wyprodukowana przez RIE (proces ASE)
SEM czarnego krzemu utworzonego przez kriogeniczny RIE. Zwróć uwagę na gładkie, nachylone powierzchnie, w przeciwieństwie do pofałdowanych ścian bocznych uzyskanych w procesie RIE firmy Bosch.

Czarny krzem to struktura powierzchniowa w kształcie igieł, w której igły są wykonane z krzemu monokrystalicznego i mają wysokość powyżej 10 µm i średnicę mniejszą niż 1 µm. Jego główną cechą jest zwiększona absorpcja padającego światła - wysoki współczynnik odbicia krzemu, który zwykle wynosi 20–30% dla quasi-normalnego padania, jest zmniejszony do około 5%. Wynika to z tworzenia się przez igły tzw. efektywnego medium. W tym ośrodku nie ma ostrej granicy faz, ale ciągła zmiana współczynnika załamania światła , która zmniejsza odbicie Fresnela . Gdy głębokość stopniowanej warstwy jest w przybliżeniu równa długości fali światła w krzemie (około jednej czwartej długości fali w próżni), odbicie zmniejsza się do 5%; głębsze stopnie dają jeszcze czarniejszy krzem. Aby uzyskać niski współczynnik odbicia, nanoskalowe cechy tworzące warstwę o stopniowanym indeksie muszą być mniejsze niż długość fali padającego światła, aby uniknąć rozpraszania.

Zdjęcie SEM czarnego krzemu ze skośnymi nanostożkami, wykonane przez RIE pod kątem ukośnym.

Aplikacje

Niezwykłe właściwości optyczne w połączeniu z właściwościami półprzewodnikowymi krzemu sprawiają, że materiał ten jest interesujący do zastosowań w czujnikach. Potencjalne zastosowania obejmują:

  • Czujniki obrazu o podwyższonej czułości
  • Kamery termowizyjne
  • Fotodetektor o wysokiej wydajności dzięki zwiększonej absorpcji.
  • Styki mechaniczne i interfejsy
  • Aplikacje terahercowe.
  • Ogniwa słoneczne
  • Powierzchnie antybakteryjne, które działają poprzez fizyczne rozrywanie błon komórkowych bakterii.
  • Wzmocniona powierzchniowo spektroskopia ramanowska
  • Czujniki gazu amoniakalnego

Produkcja

Trawienie jonami reaktywnymi

Skaningowa mikrografia elektronowa pojedynczej „igły” z czarnego krzemu, wyprodukowana przez RIE (proces ASE)

W technologii półprzewodnikowej wytrawianie jonami reaktywnymi (RIE) jest standardową procedurą wykonywania wykopów i otworów o głębokości do kilkuset mikrometrów i bardzo wysokich współczynnikach kształtu. W procesie Bosch RIE osiąga się to poprzez wielokrotne przełączanie między wytrawianiem a pasywacją. Dzięki kriogenicznemu RIE, niska temperatura i gazowy tlen osiągają tę pasywację ściany bocznej poprzez tworzenie SiO
2 , łatwo usuwanego z dna przez jony kierunkowe. Obie metody RIE mogą wytwarzać czarny krzem, ale morfologia powstałej struktury znacznie się różni. Przełączanie między wytrawianiem a pasywacją w procesie Boscha tworzy pofałdowane ściany boczne, które są widoczne również na utworzonym w ten sposób czarnym krzemie.

Jednak podczas wytrawiania na podłożu pozostają małe zanieczyszczenia; maskują wiązkę jonów i wytwarzają struktury, które nie są usuwane, aw kolejnych etapach trawienia i pasywacji powstają wysokie krzemowe filary. Proces można ustawić tak, aby na powierzchni jednego milimetra kwadratowego powstało milion igieł.

metoda Mazura

W 1999 roku grupa z Uniwersytetu Harvarda kierowana przez Erica Mazura opracowała proces, w którym czarny krzem był wytwarzany przez napromienianie krzemu femtosekundowymi impulsami laserowymi. Po napromieniowaniu w obecności gazu zawierającego sześciofluorek siarki i inne domieszki , powierzchnia krzemu tworzy samoorganizującą się mikroskopijną strukturę mikrometrowych stożków. Powstały materiał ma wiele niezwykłych właściwości, takich jak absorpcja, która rozciąga się do podczerwieni , poniżej pasma wzbronionego krzemu, w tym długości fal, dla których zwykły krzem jest przezroczysty. atomy siarki są dociskane do powierzchni krzemu, tworząc strukturę o niższym paśmie wzbronionym , a tym samym zdolność do pochłaniania dłuższych fal .

Czarny silikon wykonany bez specjalnego gazu otoczenia – laboratoryjny LP3- CNRS

Podobną modyfikację powierzchni można uzyskać w próżni przy użyciu tego samego rodzaju lasera i warunków obróbki laserowej. W tym przypadku pojedyncze silikonowe stożki nie mają ostrych końcówek (patrz zdjęcie). Współczynnik odbicia takiej mikrostrukturalnej powierzchni jest bardzo niski, 3–14% w zakresie widmowym 350–1150 nm. Do takiego zmniejszenia współczynnika odbicia przyczynia się geometria stożka, która zwiększa wewnętrzne odbicia światła między nimi. W związku z tym zwiększa się możliwość pochłaniania światła. Wzrost absorpcji uzyskany dzięki teksturowaniu laserem fs był lepszy niż uzyskany przy użyciu alkalicznej metody wytrawiania chemicznego, która jest standardowym podejściem przemysłowym do teksturowania powierzchni monokrystalicznych płytek krzemowych w produkcji ogniw słonecznych . Taka modyfikacja powierzchni jest niezależna od lokalnej orientacji krystalicznej. Jednolity efekt teksturowania można uzyskać na całej powierzchni wielokrystalicznej płytki krzemowej. Bardzo strome kąty obniżają odbicie prawie do zera, a także zwiększają prawdopodobieństwo rekombinacji, uniemożliwiając użycie go w ogniwach słonecznych.

Nanopory

Kiedy mieszanina azotanu miedzi , kwasu fosforawego , fluorowodoru i wody zostanie nałożona na płytkę krzemową, redukcja kwasem fosforawym redukuje jony miedzi do nanocząstek miedzi . Nanocząsteczki przyciągają elektrony z powierzchni płytki, utleniając ją i umożliwiając fluorowodorowi spalenie nanoporów w kształcie odwróconej piramidy w krzemie. W procesie powstały pory o wielkości zaledwie 590 nm, które przepuszczają ponad 99% światła.

Trawienie chemiczne

Czarny krzem można również wytwarzać przez trawienie chemiczne przy użyciu procesu zwanego trawieniem chemicznym wspomaganym metalem ( MACE ).

Funkcjonować

Kiedy materiał jest spolaryzowany niewielkim napięciem elektrycznym , zaabsorbowane fotony są w stanie wzbudzić dziesiątki elektronów . Czułość detektorów z czarnego krzemu jest 100–500 razy wyższa niż w przypadku krzemu nieobrobionego (krzem konwencjonalny), zarówno w widmie widzialnym, jak iw podczerwieni.

Grupa z Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej zgłosiła czarne krzemowe ogniwa słoneczne o wydajności 18,2%. Ta czarna silikonowa powierzchnia antyrefleksyjna została utworzona w procesie trawienia wspomaganego metalem przy użyciu nanocząsteczek srebra. W maju 2015 roku naukowcy z fińskiego Uniwersytetu Aalto we współpracy z naukowcami z Universitat Politècnica de Catalunya ogłosili, że stworzyli czarne krzemowe ogniwa słoneczne o wydajności 22,1%, nakładając cienką warstwę pasywującą na nanostruktury metodą osadzania warstw atomowych i integrując wszystkie metalowe styki z tyłu komórki.

Zespół kierowany przez Elenę Ivanovą ze Swinburne University of Technology w Melbourne odkrył w 2012 roku, że skrzydła cykady są silnymi zabójcami Pseudomonas aeruginosa , oportunistycznego zarazka, który zaraża również ludzi i staje się odporny na antybiotyki . Efekt pochodził z regularnie rozmieszczonych „nanopillarów”, na których bakterie były cięte na strzępy, gdy osadzały się na powierzchni.

Zarówno skrzydła cykady, jak i czarny silikon zostały poddane próbie w laboratorium i oba okazały się bakteriobójcze. Gładkie w dotyku powierzchnie niszczą Gram-ujemne i Gram-dodatnie , a także spory bakteryjne .

Trzy docelowe gatunki bakterii to P. aeruginosa , Staphylococcus aureus i Bacillus subtilis , szeroko rozpowszechniony zarodek glebowy, który jest kuzynem wąglika .

Szybkość zabijania wynosiła 450 000 bakterii na centymetr kwadratowy na minutę w ciągu pierwszych trzech godzin ekspozycji lub 810-krotność dawki minimalnej potrzebnej do zakażenia osoby S. aureus i 77 400-krotność dawki P. aeruginosa . Jednak później udowodniono, że protokół oznaczania ilościowego zespołu Ivanovej nie był odpowiedni dla tego rodzaju powierzchni antybakteryjnych.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Black_silicon&oldid=1117385452 ”