مادة جديدة ثورية – السيليكون الأسود
السيليكون الأسود نوع جديد من مواد السيليكون يتميز بخصائص كهروضوئية ممتازة. تلخص هذه المقالة الأبحاث التي أجراها إريك مازور وباحثون آخرون حول السيليكون الأسود في السنوات الأخيرة، مع تفصيل عملية تحضيره وآلية تكوينه، بالإضافة إلى خصائصه مثل الامتصاص والتألق والانبعاث الميداني والاستجابة الطيفية. كما تشير إلى التطبيقات المحتملة الهامة للسيليكون الأسود في كاشفات الأشعة تحت الحمراء والخلايا الشمسية وشاشات العرض المسطحة.
يُستخدم السيليكون البلوري على نطاق واسع في صناعة أشباه الموصلات نظرًا لمزاياه، مثل سهولة التنقية والتطعيم ومقاومته العالية لدرجات الحرارة. ومع ذلك، فإنه يعاني أيضًا من العديد من العيوب، مثل انعكاسه العالي للضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء على سطحه. علاوة على ذلك، ونظرًا لفجوة نطاقه الكبيرة،السيليكون البلوريلا تستطيع أجهزة الكشف المصنوعة من السيليكون امتصاص الضوء بأطوال موجية أكبر من 1100 نانومتر. فعندما يتجاوز طول موجة الضوء الساقط 1100 نانومتر، ينخفض امتصاص هذه الأجهزة ومعدل استجابتها بشكل كبير. ولذلك، يجب استخدام مواد أخرى مثل زرنيخيد الجرمانيوم والإنديوم والغاليوم للكشف عن هذه الأطوال الموجية. إلا أن التكلفة العالية، وضعف الخصائص الديناميكية الحرارية وجودة البلورات، وعدم توافقها مع عمليات تصنيع السيليكون الحالية، تحدّ من استخدامها في الأجهزة المصنوعة من السيليكون. لذا، يبقى تقليل انعكاس أسطح السيليكون البلورية وتوسيع نطاق أطوال موجات الكشف لأجهزة الكشف الضوئي المصنوعة من السيليكون والمتوافقة معه موضوعًا بحثيًا هامًا.
لتقليل انعكاس أسطح السيليكون البلوري، تم استخدام العديد من الطرق والتقنيات التجريبية، مثل الطباعة الضوئية، والحفر الأيوني التفاعلي، والحفر الكهروكيميائي. يمكن لهذه التقنيات، إلى حد ما، تغيير مورفولوجيا سطح السيليكون البلوري والطبقات القريبة منه، وبالتالي تقليل الانعكاس.السيليكون انعكاس السطح. في نطاق الضوء المرئي، يُمكن أن يُؤدي تقليل الانعكاس إلى زيادة الامتصاص وتحسين كفاءة الجهاز. مع ذلك، عند أطوال موجية تتجاوز 1100 نانومتر، إذا لم تُضَف مستويات طاقة امتصاص إلى فجوة نطاق السيليكون، فإن تقليل الانعكاس يُؤدي فقط إلى زيادة النفاذية، لأن فجوة نطاق السيليكون تُحدّ في النهاية من امتصاصه للضوء ذي الأطوال الموجية الطويلة. لذلك، لتوسيع نطاق الطول الموجي الحساس للأجهزة القائمة على السيليكون والأجهزة المتوافقة معه، من الضروري زيادة امتصاص الفوتونات داخل فجوة النطاق مع تقليل انعكاس سطح السيليكون في الوقت نفسه.
في أواخر التسعينيات، تمكن البروفيسور إريك مازور وزملاؤه في جامعة هارفارد من الحصول على مادة جديدة - السيليكون الأسود - خلال أبحاثهم حول تفاعل ليزرات الفيمتو ثانية مع المادة، كما هو موضح في الشكل 1. وأثناء دراسة الخصائص الكهروضوئية للسيليكون الأسود، فوجئ إريك مازور وزملاؤه باكتشاف أن هذه المادة السيليكونية ذات البنية المجهرية تمتلك خصائص كهروضوئية فريدة. فهي تمتص جميع الضوء تقريبًا في نطاق الأشعة فوق البنفسجية القريبة والأشعة تحت الحمراء القريبة (0.25-2.5 ميكرومتر)، وتُظهر خصائص تألق ممتازة في نطاق الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة، بالإضافة إلى خصائص انبعاث حقلي جيدة. أحدث هذا الاكتشاف ضجة كبيرة في صناعة أشباه الموصلات، وتنافست المجلات الكبرى على نشره. ففي عام 1999، نشرت مجلتا "ساينتفك أمريكان" و"ديسكفر"، وفي عام 2000 نشر القسم العلمي في صحيفة "لوس أنجلوس تايمز"، وفي عام 2001 نشرت مجلة "نيو ساينتست" مقالاتٍ تتناول اكتشاف السيليكون الأسود وتطبيقاته المحتملة، إيمانًا منهم بقيمته الكبيرة في مجالات مثل الاستشعار عن بُعد، والاتصالات الضوئية، والإلكترونيات الدقيقة.
أجرى كلٌّ من ت. ساميت من فرنسا، وأنويفي م. مولوني من أيرلندا، وتشاو لي من جامعة فودان في الصين، ومين هاينينغ من الأكاديمية الصينية للعلوم، أبحاثًا مكثفة حول السيليكون الأسود، وحققوا نتائج أولية. وقد جمعت شركة SiOnyx، ومقرها ماساتشوستس بالولايات المتحدة الأمريكية، 11 مليون دولار من رأس المال الاستثماري لتكون بمثابة منصة لتطوير التكنولوجيا لشركات أخرى، وبدأت الإنتاج التجاري لرقائق السيليكون الأسود المزودة بمستشعرات، استعدادًا لاستخدام المنتجات النهائية في أنظمة التصوير بالأشعة تحت الحمراء من الجيل التالي. وصرح ستيفن سايلور، الرئيس التنفيذي لشركة SiOnyx، بأن مزايا انخفاض التكلفة والحساسية العالية لتكنولوجيا السيليكون الأسود ستجذب حتمًا انتباه الشركات المتخصصة في أسواق البحث والتصوير الطبي. وفي المستقبل، قد تدخل هذه التكنولوجيا سوق الكاميرات الرقمية وكاميرات الفيديو التي تبلغ قيمتها مليارات الدولارات. كما تجري SiOnyx حاليًا تجارب على الخصائص الكهروضوئية للسيليكون الأسود، ومن المرجح جدًا أن...سيليكون أسودسيتم استخدامها في الخلايا الشمسية في المستقبل. 1. عملية تكوين السيليكون الأسود
1.1 عملية التحضير
تُنظف رقائق السيليكون أحادية البلورة بالتتابع باستخدام ثلاثي كلورو الإيثيلين، والأسيتون، والميثانول، ثم توضع على منصة هدف متحركة ثلاثية الأبعاد داخل غرفة مفرغة من الهواء. يبلغ ضغط القاعدة في غرفة التفريغ أقل من 1.3 × 10⁻² باسكال. يمكن استخدام غاز عامل مثل سادس فلوريد الكبريت (SF₆)، أو الكلور (Cl₂)، أو النيتروجين (N₂)، أو الهواء، أو كبريتيد الهيدروجين (H₂S)، أو الهيدروجين (H₂)، أو سيلان الهيدروجين (SiH₄)، وغيرها، بضغط تشغيل يبلغ 6.7 × 10⁴ باسكال. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام بيئة مفرغة من الهواء، أو طلاء سطح السيليكون بمساحيق عنصرية من الكبريت (S)، أو السيلينيوم (Se)، أو التيلوريوم (Te) في بيئة مفرغة من الهواء. كما يمكن غمر منصة الهدف في الماء. تُركّز نبضات ليزرية من نوع تيتانيوم-ياقوت (800 نانومتر، 100 فيمتوثانية، 500 ميكرو جول، 1 كيلو هرتز) مُولّدة بواسطة مُضخّم تجديدي، وذلك باستخدام عدسة، ثم تُسلط عموديًا على سطح السيليكون (يتم التحكم في طاقة خرج الليزر بواسطة مُخفّف يتكون من صفيحة نصف موجة ومُستقطِب). وبتحريك منصة الهدف لمسح سطح السيليكون ببقعة الليزر، يُمكن الحصول على مادة سيليكون سوداء ذات مساحة كبيرة. يُمكن تغيير حجم بقعة الضوء المُسلطة على سطح السيليكون بتغيير المسافة بين العدسة ورقاقة السيليكون، وبالتالي تغيير كثافة طاقة الليزر. وعندما يكون حجم البقعة ثابتًا، يُمكن تغيير عدد النبضات المُسلطة على وحدة مساحة من سطح السيليكون بتغيير سرعة حركة منصة الهدف. يؤثر غاز التشغيل بشكل كبير على شكل البنية المجهرية لسطح السيليكون. وعندما يكون غاز التشغيل ثابتًا، يُمكن التحكم في ارتفاع ونسبة أبعاد وتباعد البنى المجهرية بتغيير كثافة طاقة الليزر وعدد النبضات المُستقبلة لكل وحدة مساحة.
1.2 الخصائص المجهرية
بعد تعريض سطح السيليكون البلوري الأملس في الأصل لإشعاع ليزر الفيمتو ثانية، تظهر عليه مجموعة من التراكيب المخروطية الصغيرة شبه المنتظمة. تقع قمم المخاريط على نفس مستوى سطح السيليكون المحيط غير المُشعّع. يرتبط شكل التركيب المخروطي بالغاز المستخدم، كما هو موضح في الشكل 2، حيث تتشكل التراكيب المخروطية الموضحة في (أ) و(ب) و(ج) في أجواء من غازات SF₆ وS وN₂ على التوالي. مع ذلك، فإن اتجاه قمم المخاريط مستقل عن نوع الغاز، ويتجه دائمًا نحو اتجاه سقوط الليزر، غير متأثر بالجاذبية، ومستقل أيضًا عن نوع التطعيم والمقاومة الكهربائية واتجاه بلورة السيليكون. قواعد المخاريط غير متناظرة، ومحورها القصير موازٍ لاتجاه استقطاب الليزر. أما التراكيب المخروطية المتشكلة في الهواء فهي الأكثر خشونة، وتُغطى أسطحها بتراكيب نانوية متفرعة أدقّ يتراوح حجمها بين 10 و100 نانومتر.
كلما زادت كثافة طاقة الليزر وعدد النبضات، ازداد ارتفاع وعرض الهياكل المخروطية. في غاز سادس فلوريد الكبريت (SF6)، توجد علاقة غير خطية بين ارتفاع الهياكل المخروطية (h) والمسافة بينها (d)، ويمكن التعبير عنها تقريبًا بالمعادلة h ∝ dp، حيث p = 2.4 ± 0.1. يزداد كل من الارتفاع (h) والمسافة (d) بشكل ملحوظ مع زيادة كثافة طاقة الليزر. فعندما تزداد كثافة الطاقة من 5 كيلوجول/م² إلى 10 كيلوجول/م²، تزداد المسافة (d) بمقدار ثلاثة أضعاف، وبالنظر إلى العلاقة بين (h) و(d)، يزداد الارتفاع (h) بمقدار اثني عشر ضعفًا.
بعد التلدين بدرجة حرارة عالية (1200 كلفن، 3 ساعات) في الفراغ، أصبحت الهياكل المخروطية لـسيليكون أسودلم يطرأ تغيير ملحوظ، لكنّ البنى النانوية المتفرعة التي يتراوح حجمها بين 10 و100 نانومتر على السطح انخفضت بشكل كبير. وأظهرت مطيافية توجيه الأيونات انخفاضًا في عدم الانتظام على السطح المخروطي بعد التلدين، إلا أن معظم البنى غير المنتظمة لم تتغير في ظل ظروف التلدين هذه.
1.3 آلية التكوين
لا تزال آلية تكوّن السيليكون الأسود غير واضحة. مع ذلك، افترض إريك مازور وزملاؤه، استنادًا إلى تغير شكل البنية المجهرية لسطح السيليكون بتغير بيئة التشغيل، أنه تحت تأثير أشعة الليزر الفيمتوثانية عالية الكثافة، يحدث تفاعل كيميائي بين الغاز وسطح السيليكون البلوري، مما يسمح بنقش سطح السيليكون بواسطة غازات معينة، مُشكِّلًا مخاريط حادة. وقد عزا إريك مازور وزملاؤه الآليات الفيزيائية والكيميائية لتكوّن البنية المجهرية لسطح السيليكون إلى: انصهار واستئصال ركيزة السيليكون بفعل نبضات الليزر عالية الطاقة؛ ونقش ركيزة السيليكون بواسطة الأيونات والجسيمات التفاعلية الناتجة عن مجال الليزر القوي؛ وإعادة تبلور الجزء المُستأصل من ركيزة السيليكون.
تتشكل البنى المخروطية على سطح السيليكون تلقائيًا، ويمكن تكوين مصفوفة شبه منتظمة دون استخدام قناع. قام شين وزملاؤه بتثبيت شبكة نحاسية بسمك 2 ميكرومتر، خاصة بمجهر إلكتروني نافذ، على سطح السيليكون كقناع، ثم قاموا بتعريض رقاقة السيليكون لإشعاع ليزر الفيمتو ثانية في غاز سادس فلوريد الكبريت. وقد حصلوا على مصفوفة منتظمة للغاية من البنى المخروطية على سطح السيليكون، متوافقة مع نمط القناع (انظر الشكل 4). يؤثر حجم فتحة القناع بشكل كبير على ترتيب البنى المخروطية. يتسبب حيود الليزر الساقط بواسطة فتحات القناع في توزيع غير منتظم لطاقة الليزر على سطح السيليكون، مما ينتج عنه توزيع دوري لدرجة الحرارة على سطح السيليكون. وهذا بدوره يجبر مصفوفة بنية سطح السيليكون على أن تصبح منتظمة.