Porowaty krzem

W przypadku innych zastosowań zobacz Krzem .

Krzem porowaty (w skrócie „PS” lub „pSi”) jest formą pierwiastka chemicznego krzemu , która wprowadziła do swojej mikrostruktury nanopory , dając duży stosunek powierzchni do objętości rzędu 500 m 2 /cm 3 .

Historia

Porowaty krzem został odkryty przypadkowo w 1956 roku przez Arthura Uhlira Jr. i Ingeborg Uhlir w Bell Labs w USA. W tym czasie Ulhirowie byli w trakcie opracowywania techniki polerowania i kształtowania powierzchni krzemu i germanu . Stwierdzono jednak, że w kilku warunkach na powierzchni materiału tworzył się surowy produkt w postaci grubego czarnego, czerwonego lub brązowego filmu. W tamtym czasie odkrycia nie były dalej brane pod uwagę i zostały wspomniane jedynie w notatkach technicznych Bell Lab.

Pomimo odkrycia porowatego krzemu w latach pięćdziesiątych XX wieku społeczność naukowa nie interesowała się porowatym krzemem aż do późnych lat osiemdziesiątych. W tamtym czasie Leigh Canham – pracując w Agencji Badań Obronnych w Anglii – doszedł do wniosku, że porowaty krzem może wykazywać efekty uwięzienia kwantowego. Intuicja podążyła za udanymi wynikami eksperymentów opublikowanymi w 1990 roku. W opublikowanym eksperymencie ujawniono, że płytki krzemowe mogą emitować światło, jeśli zostaną poddane elektrochemicznemu i chemicznemu rozpuszczeniu.

Opublikowany wynik wzbudził zainteresowanie społeczności naukowej jego nieliniowymi właściwościami optycznymi i elektrycznymi . O rosnącym zainteresowaniu świadczyła liczba publikowanych prac dotyczących właściwości i potencjalnych zastosowań krzemu porowatego. W artykule opublikowanym w 2000 roku stwierdzono, że liczba opublikowanych prac wzrosła wykładniczo w latach 1991-1995.

W 2001 roku zespół naukowców z Uniwersytetu Technicznego w Monachium nieumyślnie odkrył, że uwodorniony porowaty krzem reaguje wybuchowo z tlenem w temperaturach kriogenicznych , uwalniając kilka razy więcej energii niż równoważna ilość trotylu , ze znacznie większą prędkością. (Streszczenie badania można znaleźć poniżej.) Eksplozja następuje, ponieważ tlen, który jest w stanie ciekłym w odpowiednich temperaturach, może utleniać się przez porowatą strukturę molekularną krzemu niezwykle szybko, powodując bardzo szybką i skuteczną detonację . Chociaż uwodorniony porowaty krzem prawdopodobnie nie byłby skuteczny jako broń, ze względu na jego działanie tylko w niskich temperaturach, badane są inne zastosowania jego właściwości wybuchowych, takie jak zapewnianie ciągu satelitom .

Wytwarzanie porowatego krzemu

Anodowanie i wytrawianie to dwie najpowszechniejsze metody wytwarzania porowatego krzemu; jednak istnieje prawie dwadzieścia innych metod wytwarzania tego materiału. [ potrzebne źródło ] Później może być potrzebne suszenie i modyfikacja powierzchni. Jeśli do wytworzenia mikroporowatego krzemu stosuje się anodowanie w roztworze wodnym, materiał jest zwykle poddawany obróbce w etanolu natychmiast po wytworzeniu, aby uniknąć uszkodzenia struktury wynikającego z naprężeń kapilarnych roztworu wodnego.

Anodowanie

Anodization cell
Schematyczny widok celi do anodowania

Jedną z metod wprowadzania porów w krzemie jest zastosowanie komory anodującej. Ewentualne ogniwo do anodowania jest wykonane z teflonu i wykorzystuje platynową katodę oraz anodę z krystalicznego krzemu zanurzoną w elektrolicie z fluorowodoru (HF). Ostatnio zastosowano katody z obojętnego diamentu, aby uniknąć zanieczyszczeń metalicznych w elektrolicie, a anody z obojętnego diamentu tworzą ulepszony kontakt elektrycznej płyty tylnej z płytkami krzemowymi. Korozja anody jest spowodowana przepływem prądu elektrycznego przez ogniwo. Należy zauważyć, że trawienie ze stałym DC jest zwykle wdrażany w celu zapewnienia stałego stężenia HF na końcówce, co skutkuje bardziej jednorodną porowatą warstwą, podczas gdy prąd pulsacyjny jest bardziej odpowiedni do tworzenia grubych warstw PS o grubości większej niż 50 µm. Kierunek porów zależy od orientacji kryształów. W Si o cięciu (100) pory są zorientowane prostopadle do powierzchni płytki.

Halimaoui zauważył, że podczas tworzenia porowatego krzemu zachodzi wydzielanie wodoru .

Gdy do tworzenia PS stosuje się czysto wodne roztwory HF, pęcherzyki wodoru przyklejają się do powierzchni i powodują niejednorodność boczną i głęboką

Wydzielający się wodór jest zwykle traktowany etanolem absolutnym w stężeniu przekraczającym 15%. Stwierdzono, że wprowadzenie etanolu eliminuje wodór i zapewnia całkowitą infiltrację roztworu HF w porach. Następnie poprawia się równomierny rozkład porowatości i grubości.

Wytrawianie plam

Możliwe jest otrzymanie krzemu porowatego poprzez wytrawianie kwasem fluorowodorowym , kwasem azotowym i wodą . Publikacja z 1957 roku ujawniła, że ​​plamy można hodować w rozcieńczonych roztworach kwasu azotowego w stężonym kwasie fluorowodorowym. Tworzenie porowatego krzemu przez wytrawianie plam jest szczególnie atrakcyjne ze względu na jego prostotę i obecność łatwo dostępnych odczynników korozyjnych; mianowicie kwas azotowy (HNO 3 ) i fluorowodór (HF). Ponadto wytrawianie jest przydatne, jeśli trzeba wytworzyć bardzo cienką porowatą warstwę Si. Publikacja RJ Archera z 1960 roku ujawniła, że ​​możliwe jest tworzenie warstw plam o grubości nawet 25 Å poprzez wytrawianie roztworem HF-HNO 3 .

Synteza oddolna

Porowaty krzem można zsyntetyzować chemicznie z tetrachlorku krzemu przy użyciu samoformujących się produktów ubocznych soli jako matryc do tworzenia porów. Szablony solne są później usuwane wodą.

Suszenie porowatego krzemu

Porowaty krzem jest systematycznie podatny na występowanie pęknięć podczas odparowywania wody. Pęknięcia są szczególnie widoczne w grubych lub bardzo porowatych warstwach krzemu. Pochodzenie pęknięć przypisuje się dużemu kapilarnemu spowodowanemu niewielkimi rozmiarami porów. W szczególności wiadomo było, że pęknięcia będą pojawiać się w przypadku porowatych próbek krzemu o grubości większej niż pewna wartość krytyczna. Bellet doszedł do wniosku, że w normalnych warunkach parowania nie można uniknąć pękania grubych porowatych warstw krzemu. W związku z tym opracowano kilka odpowiednich technik minimalizujących ryzyko pęknięć powstających podczas suszenia.

Suszenie nadkrytyczne

Suszenie nadkrytyczne jest uważane za najbardziej wydajną technikę suszenia, ale jest raczej drogie i trudne do wdrożenia. Po raz pierwszy został wdrożony przez Canhama w 1994 roku i polega na przegrzaniu porów cieczy powyżej punktu krytycznego, aby uniknąć napięcia międzyfazowego.

Liofilizacja

liofilizacji została po raz pierwszy udokumentowana około 1996 roku. Po utworzeniu porowatego krzemu próbkę zamraża się w temperaturze około 200 K i sublimuje pod próżnią.

Suszenie pentanem

Technika wykorzystuje pentan jako płyn suszący zamiast wody. W ten sposób zmniejsza się naprężenie kapilarne, ponieważ pentan ma niższe napięcie powierzchniowe niż woda.

Powolne parowanie

powolnego odparowywania można zastosować po spłukaniu wodą lub etanolem. Stwierdzono, że powolne odparowywanie zmniejsza gęstość pułapki.

Właściwości fizyczne krzemu porowatego

Parametrami fizycznymi opisującymi PS są średnica porów, gęstość porów oraz grubość warstwy porowatej. Podczas formowania porowatej warstwy krzemu za pomocą anodowania płytki Si parametry te mogą być kontrolowane przez rezystywność Si, stężenie HF, gęstość prądu i trawienie

czas. Możliwe jest utworzenie kilku porowatych warstw o ​​różnych gęstościach i średnicach porów na tym samym podłożu poprzez trawienie różnymi gęstościami prądu.

Porowatość

Porowatość jest zdefiniowana jako ułamek objętościowy pustych przestrzeni w warstwie PS i może być łatwo określona przez pomiar masy. Porowatość PS może wahać się od 4% dla warstw makroporowatych do 95% dla warstw mezoporowatych. Badanie przeprowadzone przez Canhama w 1995 roku wykazało, że „warstwa krzemu o wysokiej porowatości o grubości 1 µm całkowicie rozpuściła się w ciągu jednego dnia ekspozycji in vitro na symulowany płyn ustrojowy Stwierdzono również, że płytka krzemowa o średniej lub niskiej porowatości charakteryzowała się większą stabilnością. Dlatego porowatość PS dobierana jest w zależności od potencjalnych obszarów jej zastosowania. Porowatość PS jest parametrem makroskopowym i nie dostarcza żadnych informacji dotyczących mikrostruktura warstwy.Proponuje się, że właściwości próbki można dokładniej przewidzieć, jeśli można uzyskać wielkość porów i rozkład porów w próbce.

Właściwości optyczne

PS wykazuje właściwości optyczne oparte na porowatości i złożonych współczynnikach załamania światła Si i ośrodka wewnątrz porów. Efektywny współczynnik załamania PS można modelować za pomocą przybliżeń efektywnych ośrodków (EMA). Zwykle stosuje się uogólniony model Bruggemana. Jeśli współczynnik załamania światła ośrodka wewnątrz porów jest wysoki, efektywny współczynnik załamania PS również będzie wysoki. Zjawisko to powoduje przesunięcie widma w kierunku dłuższych fal .

Klasyfikacja porowatego krzemu

Porowaty krzem dzieli się na trzy kategorie w zależności od wielkości jego porów: makroporowaty , mezoporowaty i mikroporowaty .

Typ Mikroporowaty Mezoporowaty makroporowaty
Średnica porów (nm) mniej niż 2 między 2 a 50 większy niż 50

Modyfikacja powierzchni krzemu porowatego

Powierzchnia porowatego krzemu może być modyfikowana, aby wykazywać różne właściwości. Często świeżo wytrawiony porowaty krzem może być niestabilny ze względu na szybkość jego utleniania przez atmosferę lub nieodpowiedni do celów przyczepiania komórek. Dlatego można go modyfikować na powierzchni, aby poprawić stabilność i przyleganie komórek

Modyfikacja powierzchni poprawiająca stabilność

Po utworzeniu porowatego krzemu jego powierzchnia pokryta jest kowalencyjnie związanym wodorem. Chociaż powierzchnia pokryta wodorem jest wystarczająco stabilna, gdy jest wystawiona na działanie obojętnej atmosfery przez krótki okres czasu, przedłużona ekspozycja powoduje, że powierzchnia jest podatna na utlenianie przez tlen atmosferyczny. Utlenianie sprzyja niestabilności powierzchni i jest niepożądane w wielu zastosowaniach. W związku z tym opracowano kilka metod zwiększania stabilności powierzchni porowatego krzemu.

Podejście, które można zastosować, polega na utlenianiu termicznym . Proces polega na podgrzaniu krzemu do temperatury powyżej 1000 C w celu promowania pełnego utlenienia krzemu. Według doniesień metoda ta pozwoliła uzyskać próbki o dobrej odporności na starzenie i pasywację powierzchni elektronowej .

Porowaty krzem wykazuje wysoki stopień biokompatybilności . Duża powierzchnia umożliwia dobre przyleganie cząsteczek organicznych . Rozkłada się do kwasu ortokrzemowego (H 4 SiO 4 ) , który nie powoduje szkód w organizmie. Otworzyło to potencjalne zastosowania w medycynie, takie jak ramy wzrostu kości .

Modyfikacja powierzchni poprawiająca adhezję komórek

Modyfikacja powierzchni może również wpływać na właściwości promujące adhezję komórek . Jedno szczególne badanie przeprowadzone w 2005 r. dotyczyło adhezji komórek ssaków na zmodyfikowanych powierzchniach porowatego krzemu. W badaniach wykorzystano szczurze komórki PC12 i ludzkie komórki nabłonka soczewki (HLE) hodowane przez cztery godziny na zmodyfikowanej powierzchni porowatego krzemu. Następnie komórki barwiono żywym barwnikiem FDA i obserwowano pod mikroskopem fluorescencyjnym . Badania wykazały, że „ silanizacja aminowa i powlekanie powierzchni pSi kolagenem wzmocniło przyleganie i rozprzestrzenianie się komórek”.

Kluczowe cechy porowatego krzemu

Wysoce kontrolowane właściwości

Badania porowatego krzemu przeprowadzone w 1995 roku wykazały, że zachowanie porowatego krzemu można zmienić pomiędzy „bioobojętnym”, „bioaktywnym” i „wchłanialnym” poprzez zmianę porowatości próbki krzemu. W badaniu in vitro wykorzystano symulowane płyny ustrojowe zawierające jony o stężeniu podobnym do ludzkiej krwi i przetestowano aktywność porowatej próbki krzemu po wystawieniu na działanie płynów przez dłuższy czas. Stwierdzono, że mezoporowate warstwy o wysokiej porowatości zostały całkowicie usunięte przez symulowane płyny ustrojowe w ciągu jednego dnia. Natomiast mikroporowate warstwy o niskiej do średniej porowatości wykazywały bardziej stabilne konfiguracje i indukowały wzrost hydroksyapatytu.

Bioaktywny

Pierwsze oznaki porowatego krzemu jako materiału bioaktywnego stwierdzono w 1995 roku. W przeprowadzonych badaniach stwierdzono, że na porowatych obszarach krzemu następował wzrost hydroksyapatytu . Następnie zasugerowano, że „uwodniony mikroporowaty Si może być bioaktywną formą półprzewodnika i zasugerowano, że sam Si powinien być poważnie rozważany do opracowania jako materiał do powszechnego in vivo zastosowania.” W innym artykule opublikowano odkrycie, że porowaty krzem może być użyty jako podłoże do wzrostu hydroksyapatytu albo w prostym procesie namaczania, albo w procesie interakcji laser-ciecz-ciało stałe.

Od tego czasu prowadzone są badania in vitro w celu oceny interakcji komórek z porowatym krzemem. Badanie interakcji szczurzych komórek hipokampa B50 z porowatym krzemem z 1995 roku wykazało, że komórki B50 mają wyraźną preferencję adhezji do porowatego krzemu w stosunku do nietraktowanej powierzchni. Badanie wykazało, że porowaty krzem może być odpowiedni do hodowli komórek i może być używany do kontrolowania wzorca wzrostu komórek.

Nietoksyczny produkt odpadowy

Inną pozytywną cechą porowatego krzemu jest degradacja porowatego krzemu do monomerycznego kwasu krzemowego (SiOH4). Kwas krzemowy jest uważany za najbardziej naturalną postać pierwiastka w środowisku i jest łatwo usuwany przez nerki .

Ludzkie osocze krwi zawiera monomeryczny kwas krzemowy na poziomie poniżej 1 mg Si/l, co odpowiada średniemu spożyciu w diecie 20-50 mg/dzień. Zaproponowano, że mała grubość powłok krzemowych stwarza minimalne ryzyko osiągnięcia stężenia toksycznego. Propozycja została poparta eksperymentem z udziałem ochotników i napojów z kwasem krzemowym. Stwierdzono, że stężenie kwasu wzrosło tylko na krótko powyżej normalnego poziomu 1 mg Si/l i było skutecznie wydalane z moczem.

Superhydrofobowość

Prosta regulacja morfologii porów i geometrii porowatego krzemu zapewnia również wygodny sposób kontrolowania jego właściwości zwilżających. Stabilne stany ultra- i superhydrofobowe na porowatym krzemie można wytwarzać i wykorzystywać w urządzeniach mikroprzepływowych typu lab-on-a-chip do ulepszonej bioanalizy powierzchniowej.

Zobacz też

Dalsza lektura

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Porous_silicon&oldid=1141985575 ”