Прејди на содржината

Црн силикон

Од Википедија — слободната енциклопедија

Црниот силикон е полупроводнички материјал, површинска модификација на силикон со многу мала рефлексивност и соодветно висока апсорпција на видлива (и инфрацрвена ) светлина.

Модификацијата била откриена во 1980-тите како несакан несакан ефект на реактивно јонско гравирање (RIE).[1] Други методи за формирање на сссссссссслична структура вклучуваат електрохемиски офорт, офорт со дамки, хемиско офортување со помош на метал и ласерски третман.[2]

Црниот силикон станал главна предност за соларната поголемапоголема ефикасност на конверзија на светлина во електрична енергија [3] на стандардните соларни ќелии од кристален силикон, што значително ги намалува нивните трошоци.[4]

Својства

[уреди | уреди извор]
Скенирање на електронска микрографија на црн силициум, произведен од RIE (процес ASE)
SEM микрографија на црн силикон формиран од криоген RIE. Забележете ги мазните, наклонети површини, за разлика од брановидните странични ѕидови добиени со Bosch process RIE.

Црниот силикон е површинска структура во облик на игла каде што иглите се направени од еднокристален силикон и имаат висина над 10микрометри и дијаметар помал од 1микрометри. Неговата главна карактеристика е зголемената апсорпција на упадната светлина - високата рефлексивност на силиконот, која обично е 20-30% за квази-нормална инциденца, е намалена на околу 5%. Ова се должи на формирањето на таканаречениот ефективен медиум [5] од иглите. Во овој медиум, нема остар интерфејс, туку континуирана промена на индексот на рефракција што ја намалува рефлексијата на Френел. Кога длабочината на степенуваниот слој е приближно еднаква на брановата должина на светлината во силикон (околу една четвртина од брановата должина во вакуум), рефлексијата се намалува на 5%; подлабоките оценки произведуваат уште поцрн силициум. [6] За ниска рефлексивност, карактеристиките на нано размерите што го произведуваат индексниот слој мора да бидат помали од брановата должина на упадната светлина за да се избегне расејување.[6]

SEM фотографија од црн силикон со коси нанокони, произведена од RIE со кос агол.

Апликации

[уреди | уреди извор]

Необичните оптички карактеристики во комбинација со полупроводничките својства на силициумот го прават овој материјал интересен за апликациии со сензори. Потенцијалните апликации вклучуваат:

Производство

[уреди | уреди извор]

Реактивно-јонско гравирање

[уреди | уреди извор]
Скенирање на електронска микрографија на црн силициум, произведен од RIE (процес ASE)

Во технологијата на полупроводници, офорт со реактивни јони (RIE) е стандардна процедура за производство на ровови и дупки со длабочина до неколку стотици микрометри и многу високи сооодноси. Во Bosch-процесот RIE, ова се постигнува со постојано префрлање помеѓу офорт и пасивација. Со криогениот RIE, ниската температура и кислородниот гас ја постигнуваат оваа странична пасивација со формирање на SiO2, лесно се отстранува од дното со насочени јони. Двата методи RIE можат да произведат црн силикон, но морфологијата на добиената структура значително се разликува. Префрлањето помеѓу офорт и пасивирање на Бош-процесот создава брановидни странични ѕидови, кои се видливи и на црниот силикон формиран на овој начин.

За време на офорт, сепак, мали остатоци остануваат на подлогата; тие го маскираат јонскиот зрак и произведуваат структури кои не се отстранети и во следните чекори на офорт и пасивација резултираат со високи силиконски столбови.[31] Процесот може да се постави така што на површина од еден квадратен милиметар се формираат милион игли.[32]

Мазуровиот метод

[уреди | уреди извор]

Во 1999 година, група од Универзитетот Харвард, предводена од Ерик Мазур, разви процес во кој црн силикон се произведува со зрачење на силикон со фемтосекунда ласерски импулси.[33] По зрачењето во присуство на гас што содржи сулфур хексафлуорид и други допанти, површината на силиконот развива самоорганизирана микроскопска структура од конуси со големина на микрометар. Добиениот материјал има многу извонредни својства, како што е апсорпцијата што се протега до опсегот на инфрацрвени зраци, под јазот на појасот на силиконнот, вклучувајќи ги и брановите должини за кои обичниот силикон е проѕирен. Атомите на сулфур се присилуваат на површината на силиконот, создавајќи структура со помал јаз на лентата и затоа способност да апсорбира подолги бранови должини.

Црн силикон изработен без специјален гас амбиентално – лабораторија LP3- CNRS

Слична модификација на површината може да се постигне во вакуум користејќи ист тип на ласерски и ласерски услови за обработка. Во овој случај, на поединечните силиконски конуси им недостасуваат остри врвови (види слика). Рефлексивноста на таква микроструктурирана површина е многу мала, 3-14% во спектралниот опсег 350-1150нм. За ваквото намалување на рефлексивноста придонесува конусната геометрија, која ги зголемува светлосните внатрешни рефлексии меѓу нив. Оттука, можноста за апсорпција на светлина е зголемена. Добивката во апсорпцијата постигната со ласерска текстуризација била супериорна од онаа постигната со користење на метод на алкална хемиска офорт, што е стандарден индустриски пристап за текстура на површината на моно-кристални силиконски наполитанки во производството на соларни ќелии. Таквата модификација на површината е независна од локалната кристална ориентација. Може да се постигне еднообразен ефект на текстура низ површината на повеќекристален силиконски нафора. Многу стрмните агли го намалуваат одразот на близу нула, а исто така ја зголемуваат веројатноста за рекомбинација, спречувајќи го да се користи во соларни ќелии.

Нанопори

[уреди | уреди извор]

Кога мешавина од бакар нитрат, фосфорна киселина, водород флуорид и вода се нанесува на силициумска обланда, редукцијата на фосфорната киселина ги намалува бакарните јони во бакарни наночестички. Наночестичките привлекуваат електрони од површината на обландата, оксидирајќи ја и дозволувајќи му на водородниот флуорид да согорува превртени нанопори во облик на пирамида во силиконот. Процесот создал пори дури 590nm кои пропуштаат повеќе од 99% од светлината.[34]

Хемиски офорт

[уреди | уреди извор]

Црниот силикон, исто така, може да се произведе со хемиски офорт користејќи процес наречен хемиско офортување со помош на метал ( MACE ).[35] [36] [37] [38]

Функција

[уреди | уреди извор]

Кога материјалот е пристрасен од мал електричен напон, апсорбираните фотони можат да возбудат десетици електрони . Чувствителноста на детекторите на црниот силикон е 100-500 пати поголема од онаа на нетретираниот силициум (конвенционален силикон), и во видливиот и во инфрацрвениот спектра.

Група од Националната лабораторија за обновлива енергија објавила црни силиконски соларни ќелии со 18,2% ефикасност.[16] Оваа црна силиконска антирефлективна површина била формирана со процес на офорт со помош на метал, користејќи нано честички од сребро. Во мај 2015 година, истражувачите од финскиот универзитет Алто, кои работеле со истражувачите од Универзитетот во Каталонија, објавиле дека создале црни силиконски соларни ќелии со ефикасност од 22,1%[39] [40] со примена на тенок пасивирачки филм на наноструктурите, со интеграција на атомскиот слој од страната на целиот контакт на ќелијата.

Тим предводен од Елена Иванова од Технолошкиот универзитет Свинбурн во Мелбурн во 2012 година[41] откриле дека крилата на цикадата се моќни убијци на <i id="mwAUs">Pseudomonas aeruginosa</i>, опортунистички микроб кој исто така ги инфицира луѓето и станува отпорен на антибиотици. Ефектот дошол од редовно распоредени „наностолбови“ на кои бактериите биле исечени на парчиња додека се таложеле на површината.

И крилата на цикадата и црниот силикон биле ставени низ нивните чекори во лабораторија, и двете биле бактерицидни. Мазни на човечки допир, површините ги уништиле грам-негативните и грам-позитивните бактерии, како и бактериските спори.

Трите таргетирани бактериски видови биле, P. aeruginosa, Staphylococcus aureus и Bacillus subtilis, широк опсег на почвен микроб кој е братучед на антракс.

Стапката на убивање била 450.000 бактерии на квадратен сантиметар во минута во првите три часа од изложувањето или 810 пати повеќе од минималната доза потребна за инфицирање на лице со S. aureus и 77.400 пати поголема од онаа на P. aeruginosa. Меѓутоа, подоцна се докажало дека протоколот за квантификација на тимот на Иванова не бил соодветен за вакви антибактериски површини.

Група предводена од Гагик Ајвазјан од Националниот политехнички универзитет на Ерменија во Ереван во 2023 година покажал дека нанотекстурите слични на игла обезбедуваат изводливо решение за управување со светлината за соларни ќелии со тандем перовскит/силикон.[42] [43] Црниот силиконски меѓу слој ја подобрува апсорпцијата на светлината во долната силиконска соларна под-ќелија.

Поврзано

[уреди | уреди извор]

Наводи

[уреди | уреди извор]
  1. ↑ Jansen, H; Boer, M de; Legtenberg, R; Elwenspoek, M (1995). „The black silicon method: a universal method for determining the parameter setting of a fluorine-based reactive ion etcher in deep silicon trench etching with profile control“. Journal of Micromechanics and Microengineering. 5 (2): 115–120. Bibcode:1995JMiMi...5..115J. doi:10.1088/0960-1317/5/2/015.
  2. ↑ Ayvazyan, Gagik (2024). Black Silicon: Formation, Properties, and Application. Synthesis Lectures on Materials and Optics (англиски). Cham: Springer Nature Switzerland. doi:10.1007/978-3-031-48687-6. ISBN 978-3-031-48686-9.
  3. ↑ Alcubilla, Ramon; Garín, Moises; Calle, Eric; Ortega, Pablo; Gastrow, Guillaume von; Repo, Päivikki; Savin, Hele (2015). „Black silicon solar cells with interdigitated back-contacts achieve 22.1% efficiency“. Nature Nanotechnology (англиски). 10 (7): 624–628. Bibcode:2015NatNa..10..624S. doi:10.1038/nnano.2015.89. ISSN 1748-3395. PMID 25984832. |hdl-access= бара |hdl= (help)
  4. ↑ Pearce, Joshua; Savin, Hele; Pasanen, Toni; Laine, Hannu; Modanese, Chiara; Modanese, Chiara; Laine, Hannu S.; Pasanen, Toni P.; Savin, Hele (2018). „Economic Advantages of Dry-Etched Black Silicon in Passivated Emitter Rear Cell (PERC) Photovoltaic Manufacturing“. Energies (англиски). 11 (9): 2337. doi:10.3390/en11092337.
  5. ↑ C. Tuck Choy (1999). Effective Medium Theory: Principles and Applications. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-851892-1.
  6. 1 2 Branz, H.M.; Yost, V.E.; Ward, S.; To, B.; Jones, K.; Stradins, P. (2009). „Nanostructured black silicon and the optical reflectance of graded-density surfaces“. Appl. Phys. Lett. 94 (23): 231121–3. Bibcode:2009ApPhL..94w1121B. doi:10.1063/1.3152244.
  7. ↑ Koynov, Svetoslav; Brandt, Martin S.; Stutzmann, Martin (2006). „Black nonreflecting silicon surfaces for solar cells“ (PDF). Applied Physics Letters. 88 (20): 203107. Bibcode:2006ApPhL..88t3107K. doi:10.1063/1.2204573. Архивирано од изворникот (PDF) на 2011-07-24.
  8. ↑ Koynov, Svetoslav; Brandt, Martin S.; Stutzmann, Martin (2007). „Black multi-crystalline silicon solar cells“ (PDF). Physica Status Solidi RRL. 1 (2): R53. Bibcode:2007PSSRR...1R..53K. doi:10.1002/pssr.200600064. Архивирано од изворникот (PDF) на 2011-07-24.
  9. ↑ Juntunen, Mikko A.; Heinonen, Juha; Vähänissi, Ville; Repo, Päivikki; Valluru, Dileep; Savin, Hele (2016-11-14). „Near-unity quantum efficiency of broadband black silicon photodiodes with an induced junction“. Nature Photonics (англиски). 10 (12): 777–781. Bibcode:2016NaPho..10..777J. doi:10.1038/nphoton.2016.226. ISSN 1749-4885.
  10. ↑ Garin, M.; Heinonen, J.; Werner, L.; Pasanen, T. P.; Vähänissi, V.; Haarahiltunen, A.; Juntunen, M. A.; Savin, H. (2020-09-08). „Black-Silicon Ultraviolet Photodiodes Achieve External Quantum Efficiency above 130%“. Physical Review Letters (англиски). 125 (11): 117702. arXiv:1907.13397. Bibcode:2020PhRvL.125k7702G. doi:10.1103/PhysRevLett.125.117702. ISSN 0031-9007. PMID 32976002.
  11. ↑ Black Silicon[мртва врска][мртва врска] as a functional layer of the micro-system technology
  12. ↑ Cheng-Hsien Liu: Formation of Silicon nanopores and Nanopillars by a Maskless Deep Reactive Ion Etching Process[мртва врска] [мртва врска], 11 November 2008
  13. ↑ Zhiyong Xiao; и др. (2007). „Formation of Silicon Nanopores and Nanopillars by a Maskless Deep Reactive Ion Etching Process“. TRANSDUCERS 2007 – 2007 International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference—Formation of Silicon Nanopores and Nanopillars by a Maskless Deep Reactive Ion Etching Process. стр. 89–92. doi:10.1109/SENSOR.2007.4300078. ISBN 978-1-4244-0841-2.
  14. ↑ Branz, Howard M.; Yuan, Hao-Chih; Oh, Jihun (2012). „An 18.2%-efficient black-silicon solar cell achieved through control of carrier recombination in nanostructures“. Nature Nanotechnology (англиски). 7 (11): 743–748. Bibcode:2012NatNa...7..743O. doi:10.1038/nnano.2012.166. ISSN 1748-3395. PMID 23023643.
  15. ↑ Liu, Xiaogang; Coxon, Paul; Peters, Marius; Hoex, Bram; Cole, Jacqueline; Fray, Derek (2014). „Black silicon: fabrication methods, properties and solar energy applications“. Energy & Environmental Science. 7 (10): 3223–3263. doi:10.1039/C4EE01152J.
  16. 1 2 Oh, J.; Yuan, H.-C.; Branz, H.M. (2012). „Carrier recombination mechanisms in high surface area nanostructured solar cells by study of 18.2%-efficient black silicon solar cells“. Nature Nanotechnology. 7 (11): 743–8. Bibcode:2012NatNa...7..743O. doi:10.1038/nnano.2012.166. PMID 23023643.
  17. ↑ „Black silicon slices and dices bacteria“. Gizmag.com. 28 November 2013. Посетено на 2013-11-29.
  18. ↑ Xu, Zhida; Jiang, Jing; Gartia, Manas; Liu, Logan (2012). „Monolithic Integrations of Slanted Silicon Nanostructures on 3D Microstructures and Their Application to Surface-Enhanced Raman Spectroscopy“. The Journal of Physical Chemistry C. 116 (45): 24161–24170. arXiv:1402.1739. doi:10.1021/jp308162c.
  19. ↑ Liu, Xiao-Long; Zhu, Su-Wan; Sun, Hai-Bin; Hu, Yue; Ma, Sheng-Xiang; Ning, Xi-Jing; Zhao, Li; Zhuang, Jun (17 January 2018). „"Infinite Sensitivity" of Black Silicon Ammonia Sensor Achieved by Optical and Electric Dual Drives“. ACS Appl. Mater. Interfaces. 10 (5): 5061–5071. doi:10.1021/acsami.7b16542. PMID 29338182.
  20. ↑ Liu, Xiao-Long; Ma, Sheng-Xiang; Zhu, Su-Wan; Zhao, Yang; Ning, Xi-Jing; Zhao, Li; Zhuang, Jun (2019-07-15). „Light stimulated and regulated gas sensing ability for ammonia using sulfur-hyperdoped silicon“. Sensors and Actuators B: Chemical (англиски). 291: 345–353. Bibcode:2019SeAcB.291..345L. doi:10.1016/j.snb.2019.04.073.
  21. ↑ Liu, Xiao-Long; Zhao, Yang; Ma, Sheng-Xiang; Zhu, Su-Wan; Ning, Xi-Jing; Zhao, Li; Zhuang, Jun (2019-11-22). „Rapid and Wide-Range Detection of NO x Gas by N-Hyperdoped Silicon with the Assistance of a Photovoltaic Self-Powered Sensing Mode“. ACS Sensors (англиски). 4 (11): 3056–3065. doi:10.1021/acssensors.9b01704. ISSN 2379-3694. PMID 31612708.
  22. ↑ Liu, Xiao-Long; Zhao, Yang; Zhao, Li; Zhuang, Jun (2020-03-02). „Light-enhanced room-temperature gas sensing performance of femtosecond-laser structured silicon after natural aging“. Optics Express (англиски). 28 (5): 7237–7244. Bibcode:2020OExpr..28.7237L. doi:10.1364/OE.377244. ISSN 1094-4087. PMID 32225956.
  23. ↑ Liu, Xiao-Long; Zhao, Yang; Wang, Wen-Jing; Ma, Sheng-Xiang; Ning, Xi-Jing; Zhao, Li; Zhuang, Jun (2021-03-01). „Photovoltaic Self-Powered Gas Sensing: A Review“. IEEE Sensors Journal. 21 (5): 5628–5644. arXiv:2008.10378. Bibcode:2021ISenJ..21.5628L. doi:10.1109/JSEN.2020.3037463. ISSN 1530-437X.
  24. ↑ Zhao, Yang; Liu, Xiao-Long; Ma, Sheng-Xiang; Wang, Wen-Jing; Ning, Xi-Jing; Zhao, Li; Zhuang, Jun (August 1, 2021). „Light-optimized photovoltaic self-powered NO2 gas sensing based on black silicon“. Sensors and Actuators B: Chemical (англиски). 340: 129985. doi:10.1016/j.snb.2021.129985.
  25. ↑ Wang, Wenjing; Ma, Shengxiang; Liu, Xiaolong; Zhao, Yang; Li, Hua; Li, Yuan; Ning, Xijing; Zhao, Li; Zhuang, Jun (2022-03-01). „NO2 gas sensor with excellent performance based on thermally modified nitrogen-hyperdoped silicon“. Sensors and Actuators B: Chemical (англиски). 354: 131193. doi:10.1016/j.snb.2021.131193.
  26. ↑ Li, Yuan; Li, Hua; Dong, Binbin; Liu, Xiaolong; Feng, Guojin; Zhao, Li (2024-02-20). „Improved NH 3 Gas Sensing Performance of Femtosecond-Laser Textured Silicon by the Decoration of Au Nanoparticles“. Physica Status Solidi RRL (англиски). 18 (6). doi:10.1002/pssr.202400015. ISSN 1862-6254.
  27. ↑ Dong, Binbin; Wang, Wenjing; Liu, Xiao-Long; Li, Hua; Li, Yuan; Huang, Yurui; Ning, Xi-Jing; Zhao, Li; Zhuang, Jun (2024-03-18). „Light and gas dual-function detection and mutual enhancement based on hyperdoped black silicon“. Optics Express (англиски). 32 (8): 13384. Bibcode:2024OExpr..3213384D. doi:10.1364/OE.521885. ISSN 1094-4087. PMID 38859310 Проверете ја вредноста |pmid= (help).
  28. ↑ Li, Yuan; Li, Hua; Feng, Guojin; Wang, Wenjing; Dong, Binbin; Zhao, Li; Zhuang, Jun (2024-01-08). „Room-temperature NH3 gas sensing of S-hyperdoped silicon: Optimization through substrate resistivity“. Applied Physics Letters (англиски). 124 (2). doi:10.1063/5.0181639. ISSN 0003-6951.
  29. ↑ Ayvazyan, Gagik; Ayvazyan, Karen; Hakhoyan, Levon; Semchenko, Alina (2023-03-18). „NO 2 Gas Sensor Based on Pristine Black Silicon Formed by Reactive Ion Etching“. Physica Status Solidi RRL (англиски). 17 (9). Bibcode:2023PSSRR..1700058A. doi:10.1002/pssr.202300058. ISSN 1862-6254.
  30. ↑ Ayvazyan, Gagik; Hakhoyan, Levon; Ayvazyan, Karen; Aghabekyan, Arthur (2023). „External Gettering of Metallic Impurities by Black Silicon Layer“. Physica Status Solidi A (англиски). 220 (5). doi:10.1016/j.optmat.2023.113879. ISSN 1862-6300.
  31. ↑ Mike Stubenrauch, Martin Hoffmann, Siliziumtiefätzen (DRIE)[мртва врска][мртва врска], 2006
  32. ↑ Martin Schaefer: Velcro in miniature – "silicon grass holds together micro-components" [{{{1}}} Архивирано] на {{{2}}}. In: wissenschaft.de. 21 June 2006.
  33. ↑ William J. Cromie arises:Black Silicon, A New Way To Trap Light Архивирано на 13 јануари 2010 г..In:Harvard Gazette.9 December 1999, accessed on 16 February 2009.
  34. ↑ Williams, Mike (2014-06-18). „One step to solar cell efficiency“. Rdmag.com. Посетено на 2014-06-22.
  35. ↑ Hsu, Chih-Hung; Wu, Jia-Ren; Lu, Yen-Tien; Flood, Dennis J.; Barron, Andrew R.; Chen, Lung-Chien (2014-09-01). „Fabrication and characteristics of black silicon for solar cell applications: An overview“. Materials Science in Semiconductor Processing (англиски). 25: 2–17. doi:10.1016/j.mssp.2014.02.005. ISSN 1369-8001.
  36. ↑ Koynov, Svetoslav; Brandt, Martin S.; Stutzmann, Martin (2007). „Black multi-crystalline silicon solar cells“. Physica Status Solidi RRL (англиски). 1 (2): R53–R55. Bibcode:2007PSSRR...1R..53K. doi:10.1002/pssr.200600064. ISSN 1862-6270.
  37. ↑ Chen, Kexun; Zha, Jiawei; Hu, Fenqin; Ye, Xiaoya; Zou, Shuai; Vähänissi, Ville; Pearce, Joshua M.; Savin, Hele; Su, Xiaodong (2019-03-01). „MACE nano-texture process applicable for both single- and multi-crystalline diamond-wire sawn Si solar cells“ (PDF). Solar Energy Materials and Solar Cells (англиски). 191: 1–8. Bibcode:2019SEMSC.191....1C. doi:10.1016/j.solmat.2018.10.015. ISSN 0927-0248.
  38. ↑ Uddin, Shahnawaz; Hashim, Md. Roslan; Pakhuruddin, Mohd Zamir (2021-03-12). „Aluminium-assisted chemical etching for fabrication of black silicon“. Materials Chemistry and Physics (англиски). 124469: 124469. doi:10.1016/j.matchemphys.2021.124469. ISSN 0254-0584.
  39. ↑ „Efficiency record for black silicon solar cells jumps to 22.1%“.
  40. ↑ Savin, Hele; Repo, Päivikki; von Gastrow, Guillaume; Ortega, Pablo; Calle, Eric; Garín, Moises; Alcubilla, Ramon (2015). „Black silicon solar cells with interdigitated back-contacts achieve 22.1% efficiency“. Nature Nanotechnology. 10 (7): 624–628. Bibcode:2015NatNa..10..624S. doi:10.1038/nnano.2015.89. PMID 25984832. |hdl-access= бара |hdl= (help)
  41. ↑ Elena P. Ivanova; Jafar Hasan; Hayden K. Web; Vi Khanh Truon; Gregory S. Watson; Jolanta A. Watson; Vladimir A. Baulin; Sergey Pogodin; James Y. Wang (20 August 2012). „Natural Bactericidal Surfaces: Mechanical Rupture of Pseudomonas aeruginosa Cells by Cicada Wings“. Small. 8 (17): 2489–2494. doi:10.1002/smll.201200528. PMID 22674670.
  42. ↑ Ayvazyan, Gagik; Gasparyan, Ferdinand; Gasparian, Vladimir (2023). „Optical simulation and experimental investigation of the crystalline silicon/black silicon/perovskite tandem structures“. Optical Materials (англиски). 140: 113879. doi:10.1016/j.optmat.2023.113879.
  43. ↑ Vaseashta, Ashok; Ayvazyan, Gagik; Khudaverdyan, Surik; Matevosyan, Lenrik (2023). „Structural and Optical Properties of Vacuum‐Evaporated Mixed‐Halide Perovskite Layers on Nanotextured Black Silicon“. Physica Status Solidi RRL (англиски). 17 (5). doi:10.1002/pssr.202200482. ISSN 1862-6254.

Надворешни врски

[уреди | уреди извор]
Преземено од „https://mk.wikipedia.org/w/index.php?title=Црн_силикон&oldid=5360116“