Schwarz Silikon

Schwarz Silicium ein Halbleitermaterial, durch eine Oberflächenmodifikation von Silizium mit sehr niedrigem Reflexionsgrad und entsprechend hohe Absorption des sichtbaren Lichts. Die Modifikation wurde in den 1980er Jahren als unerwünschte Nebenwirkung des reaktiven Ionenätzens entdeckt. Andere Verfahren zur Bildung eine ähnliche Struktur beinhalten elektrochemisches Ätzen, Flecken Radierung, metallunterstützte chemische Ätzen und Laser-Behandlung und FFC Cambridge Prozess.


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Black Silicon ist ein nadelförmiger Oberflächenstruktur, bei der Nadeln aus einkristallinem Silizium hergestellt und weisen eine Höhe über 10 um und einem Durchmesser von weniger als 1 um. Seine Haupteigenschaft ist eine erhöhte Absorption des einfallenden Lichts das hohe Reflexionsvermögen der Silizium, die in der Regel 20-30% für die quasi-senkrechten Einfall ist, auf etwa 5% verringert. Dies ist auf die Bildung eines sogenannten effektiven Mediums durch die Nadeln. Innerhalb dieses Medium gibt es keine scharfe Grenzfläche, sondern eine kontinuierliche Änderung des Brechungsindex, die eine Fresnel-Reflexion vermindert. Wenn die Tiefe der abgestuften Schicht ist ungefähr gleich der Lichtwellenlänge in Silizium die Reflexion um 5% verringert; tieferen Noten zu produzieren schwärzer Silizium. Für niedriges Reflexionsvermögen, müssen die nanometergroße Erzeugung des Index abgestufte Schicht kleiner als die Wellenlänge des einfallenden Lichts, um Streuung zu vermeiden.

Anwendungen

Die ungewöhnlichen optischen Eigenschaften, kombiniert mit den Halbleitereigenschaften von Silizium zu machen für Sensoranwendungen dieses Material interessant. Mögliche Anwendungen sind:

  • Bildsensoren mit erhöhter Empfindlichkeit
  • Wärmebildkameras
  • Fotodetektor mit hoher Effizienz durch erhöhte Absorption.
  • Mechanische Kontakte und Schnittstellen
  • Terahertz-Anwendungen.
  • Solar Zellen
  • Antibakterielle Oberflächen, die durch physikalisches Aufbrechen Bakterien Zellmembranen zu arbeiten.

Herstellung

Reaktives Ionenätzen

In der Halbleitertechnik, ist der reaktiven Ionenätzung ein Standardverfahren zur Herstellung von Gräben und Löcher mit einer Tiefe von bis zu einigen hundert Mikrometern und eine sehr hohe Seitenverhältnisse. Im Bosch-Verfahren RIE wird diese durch wiederholtes Umschalten zwischen einem Ätzen und Passivieren erreicht. Mit Tieftemperatur-RIE, die niedrige Temperatur und Sauerstoffgas zu erreichen dieses Seitenwandpassivierung durch Bildung SiO
2 leicht von der Unterseite durch den Richtungs Ionen entfernt. Beide Methoden können RIE black silicon produzieren, aber auch die Morphologie der resultierenden Struktur unterscheidet sich erheblich. Die Umschaltung zwischen Ätzen und Passivieren der Bosch-Prozess erzeugt gewellten Seitenwänden, die auf der schwarzen Silizium auf diese Weise gebildet sind auch sichtbar.

Beim Ätzen verbleiben jedoch kleine Trümmer auf dem Substrat; sie zu maskieren den Ionenstrahl zu erzeugen und Strukturen, die nicht entfernt werden, und in den folgenden Ätzschritten und führen zu hohen Silizium-Säulen. Das Verfahren kann so eingestellt werden, dass eine Million Nadeln werden auf einer Fläche von einem Quadratmillimeter gebildet werden.

Mazur-Verfahren

Im Jahr 1999 entwickelte eine Gruppe der Harvard-Universität ein Verfahren, bei dem schwarze Silicium wurde durch Bestrahlen mit Silizium mit Femtosekunden-Laserpulsen erzeugt. Nach Bestrahlung in Gegenwart eines Gases, das Schwefelhexafluorid und anderen Dotierungsmitteln, die Oberfläche des Silicium entsteht eine selbstorganisierte mikroskopische Struktur der mikrometergroßen Zapfen. Das resultierende Material hat viele bemerkenswerte Eigenschaften wie Absorption, die auf den Infrarotbereich reicht, unter der Bandlücke von Silizium, einschließlich Wellenlängen, für die gewöhnliche Silizium transparent ist. Schwefelatome an der Siliziumoberfläche gedrückt wird, so dass eine Struktur mit einer geringeren Bandlücke und somit die Fähigkeit, längere Wellenlängen absorbieren.

Ähnliche Oberflächenmodifizierung kann im Vakuum unter Verwendung der gleichen Art von Laser und Laserverarbeitungsbedingungen erzielt werden. In diesem Fall werden die einzelnen Silizium-Zapfen fehlt scharfen Spitzen. Das Reflexionsvermögen eines solchen mikrostrukturierte Oberfläche sehr niedrig ist, 3-14% im Spektralbereich von 350 bis 1150 nm. Eine derartige Verringerung im Reflexionsvermögen wird durch die Membrangeometrie, die die Licht interne Reflexionen zwischen ihnen erhöht beigetragen. Daher wird die Möglichkeit der Lichtabsorption erhöht. Die Verstärkung der Absorption von fs-Texturierung erreicht war besser als bei Verwendung eines alkalischen chemischen Ätzverfahren, das ein Standard-Industrie-Ansatz zur Oberflächenstrukturierung von monokristallinen Siliziumwafern in der Solarzellenfertigung erreicht wird. Eine solche Oberflächenmodifikation ist unabhängig von lokalen Kristallorientierung. Eine einheitliche Texturierung kann über die Oberfläche eines multikristallinen Siliziumwafers erreicht werden. Die sehr steilen Winkeln verringern die Reflexion auf nahe Null und erhöhen auch die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination, halten sie von der Verwendung in Solarzellen.

Nanoporen

Wenn eine Mischung aus Kupfernitrat, Phosphorsäure, Fluorwasserstoff und Wasser werden auf einen Siliciumwafer aufgebracht, der phosphorigen Säurereduktion reduziert die Kupferionen zu Kupfer Nanopartikel. Die Nanopartikel anziehen Elektronen von der Oberfläche des Wafers, oxidiert wird und man die Fluorwasserstoff zu invertierten pyramidenförmigen Nanoporen in das Silizium zu verbrennen. Die erzeugten Prozess Poren so klein wie 590 nm, die durch mehr als 99% des Lichts lassen.

Funktion

Wenn das Material durch eine kleine elektrische Spannung vorgespannt sind absorbierten Photonen in der Lage, Dutzende von Elektronen anzuregen. Die Empfindlichkeit von schwarzen Silizium-Detektoren 100-500-mal höher als die von unbehandelten Silicium, sowohl im sichtbaren und IR-Spektren.

Eine Gruppe an der National Renewable Energy Laboratory berichtet schwarzen Silizium-Solarzellen mit 18,2% Wirkungsgrad. Dieser schwarze Silikonantireflex-Oberfläche wurde durch eine Metallunterstützte Ätzprozess unter Verwendung von Nanopartikeln aus Silber.

Ein Team um Elena Ivanova an der Swinburne University of Technology in Melbourne führte im Jahr 2012 entdeckt, dass Zikade Flügel potenten Killern von Pseudomonas aeruginosa, einer opportunistischen Keim, der auch Menschen infiziert und ist resistent gegen Antibiotika. Der Effekt kam aus regelmäßig beabstandeten "Nanosäulen", auf dem Bakterien wurden in Stücke geschnittenen, wie sie auf der Oberfläche angesiedelt.

Beide Zikade Flügel und Black-Silicon wurden auf Herz und Nieren in einem Labor gebracht, und beide waren bakterizid. Glatte die menschliche Note, die Oberflächen zerstört gram-negative und gram-positive Bakterien, sowie Bakteriensporen.

Die drei gezielte Bakterienspezies P. aeruginosa, Staphylococcus aureus und Bacillus subtilis, eine weitreichende Boden Keim, der ein Cousin von Anthrax ist.

Die Tötung betrug 450.000 Bakterien pro Quadratzentimeter pro Minute während der ersten drei Stunden nach der Exposition oder 810-fache der Mindestdosis benötigt wird, um eine Person mit S. aureus zu infizieren, und 77.400-fache des P. aeruginosa.

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