एक क्रांतिकारी नई सामग्री – काला सिलिकॉन
ब्लैक सिलिकॉन एक नए प्रकार का सिलिकॉन पदार्थ है जिसमें उत्कृष्ट ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक गुण होते हैं। यह लेख हाल के वर्षों में एरिक माज़ूर और अन्य शोधकर्ताओं द्वारा ब्लैक सिलिकॉन पर किए गए शोध कार्यों का सारांश प्रस्तुत करता है, जिसमें ब्लैक सिलिकॉन की तैयारी और निर्माण प्रक्रिया के साथ-साथ इसके अवशोषण, परावर्तन, क्षेत्र उत्सर्जन और स्पेक्ट्रल प्रतिक्रिया जैसे गुणों का विस्तृत वर्णन किया गया है। यह लेख इन्फ्रारेड डिटेक्टरों, सौर सेल और फ्लैट-पैनल डिस्प्ले में ब्लैक सिलिकॉन के महत्वपूर्ण संभावित अनुप्रयोगों पर भी प्रकाश डालता है।
क्रिस्टलीय सिलिकॉन का उपयोग अर्धचालक उद्योग में व्यापक रूप से किया जाता है, क्योंकि इसमें शुद्धिकरण में आसानी, डोपिंग में आसानी और उच्च तापमान प्रतिरोध जैसे गुण होते हैं। हालांकि, इसकी कई कमियां भी हैं, जैसे इसकी सतह पर दृश्य और अवरक्त प्रकाश का उच्च परावर्तन। इसके अलावा, इसके बड़े बैंड गैप के कारण,क्रिस्टलीय सिलिकॉनसिलिकॉन 1100 एनएम से अधिक तरंगदैर्ध्य वाले प्रकाश को अवशोषित नहीं कर सकता। जब आपतित प्रकाश की तरंगदैर्ध्य 1100 एनएम से अधिक होती है, तो सिलिकॉन डिटेक्टरों का अवशोषण और प्रतिक्रिया दर काफी कम हो जाती है। इन तरंगदैर्ध्यों का पता लगाने के लिए जर्मेनियम और इंडियम गैलियम आर्सेनाइड जैसी अन्य सामग्रियों का उपयोग करना आवश्यक हो जाता है। हालांकि, इनकी उच्च लागत, खराब ऊष्मागतिकीय गुण और क्रिस्टलीय गुणवत्ता, तथा मौजूदा परिपक्व सिलिकॉन प्रक्रियाओं के साथ असंगतता, सिलिकॉन-आधारित उपकरणों में इनके अनुप्रयोग को सीमित करती हैं। इसलिए, क्रिस्टलीय सिलिकॉन सतहों के परावर्तन को कम करना और सिलिकॉन-आधारित तथा सिलिकॉन-संगत फोटोडिटेक्टरों की पहचान तरंगदैर्ध्य सीमा को बढ़ाना एक महत्वपूर्ण शोध विषय बना हुआ है।
क्रिस्टलीय सिलिकॉन सतहों के परावर्तन को कम करने के लिए, फोटोलिथोग्राफी, रिएक्टिव आयन एचिंग और इलेक्ट्रोकेमिकल एचिंग जैसी कई प्रायोगिक विधियों और तकनीकों का उपयोग किया गया है। ये तकनीकें क्रिस्टलीय सिलिकॉन की सतह और निकट-सतह संरचना को कुछ हद तक बदल सकती हैं, जिससे परावर्तन कम हो जाता है।सिलिकॉन सतही परावर्तन। दृश्य प्रकाश क्षेत्र में, परावर्तन को कम करने से अवशोषण बढ़ सकता है और उपकरण की दक्षता में सुधार हो सकता है। हालांकि, 1100 एनएम से अधिक तरंगदैर्ध्य पर, यदि सिलिकॉन बैंड गैप में कोई अवशोषण ऊर्जा स्तर शामिल नहीं किया जाता है, तो परावर्तन कम होने से केवल संचरण में वृद्धि होती है, क्योंकि सिलिकॉन का बैंड गैप अंततः लंबी तरंगदैर्ध्य वाले प्रकाश के अवशोषण को सीमित करता है। इसलिए, सिलिकॉन-आधारित और सिलिकॉन-संगत उपकरणों की संवेदनशील तरंगदैर्ध्य सीमा को बढ़ाने के लिए, बैंड गैप के भीतर फोटॉन अवशोषण को बढ़ाना और साथ ही सिलिकॉन सतही परावर्तन को कम करना आवश्यक है।
1990 के दशक के उत्तरार्ध में, हार्वर्ड विश्वविद्यालय के प्रोफेसर एरिक माज़ूर और अन्य शोधकर्ताओं ने फेमटोसेकंड लेज़रों की पदार्थ के साथ परस्पर क्रिया पर अपने शोध के दौरान एक नई सामग्री - ब्लैक सिलिकॉन - की खोज की, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। ब्लैक सिलिकॉन के प्रकाशविद्युत गुणों का अध्ययन करते समय, एरिक माज़ूर और उनके सहयोगियों को यह जानकर आश्चर्य हुआ कि इस सूक्ष्म संरचना वाले सिलिकॉन पदार्थ में अद्वितीय प्रकाशविद्युत गुण हैं। यह निकट-पराबैंगनी और निकट-अवरक्त श्रेणी (0.25–2.5 μm) में लगभग सभी प्रकाश को अवशोषित करता है, उत्कृष्ट दृश्य और निकट-अवरक्त प्रकाश उत्सर्जन विशेषताओं और अच्छे क्षेत्र उत्सर्जन गुणों को प्रदर्शित करता है। इस खोज ने अर्धचालक उद्योग में सनसनी मचा दी, और प्रमुख पत्रिकाएँ इस पर रिपोर्ट करने के लिए होड़ करने लगीं। 1999 में, साइंटिफिक अमेरिकन और डिस्कवर पत्रिकाओं, 2000 में लॉस एंजिल्स टाइम्स के विज्ञान अनुभाग और 2001 में न्यू साइंटिस्ट पत्रिका ने ब्लैक सिलिकॉन की खोज और इसके संभावित अनुप्रयोगों पर विशेष लेख प्रकाशित किए, यह मानते हुए कि रिमोट सेंसिंग, ऑप्टिकल संचार और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स जैसे क्षेत्रों में इसका महत्वपूर्ण संभावित मूल्य है।
वर्तमान में, फ्रांस के टी. सैमेट, आयरलैंड की एनोइफ एम. मोलोनी, चीन के फुदान विश्वविद्यालय के झाओ ली और चीनी विज्ञान अकादमी के मेन हैनिंग ने ब्लैक सिलिकॉन पर व्यापक शोध किया है और प्रारंभिक परिणाम प्राप्त किए हैं। अमेरिका के मैसाचुसेट्स स्थित कंपनी सिओनिक्स ने अन्य कंपनियों के लिए प्रौद्योगिकी विकास मंच के रूप में काम करने के लिए 11 मिलियन डॉलर की वेंचर कैपिटल भी जुटाई है और सेंसर-आधारित ब्लैक सिलिकॉन वेफर्स का वाणिज्यिक उत्पादन शुरू कर दिया है, ताकि तैयार उत्पादों का उपयोग अगली पीढ़ी के इन्फ्रारेड इमेजिंग सिस्टम में किया जा सके। सिओनिक्स के सीईओ स्टीफन सेलर ने कहा कि ब्लैक सिलिकॉन प्रौद्योगिकी की कम लागत और उच्च संवेदनशीलता के लाभ निश्चित रूप से अनुसंधान और मेडिकल इमेजिंग बाजारों पर केंद्रित कंपनियों का ध्यान आकर्षित करेंगे। भविष्य में, यह अरबों डॉलर के डिजिटल कैमरा और कैमकोर्डर बाजार में भी प्रवेश कर सकता है। सिओनिक्स वर्तमान में ब्लैक सिलिकॉन के फोटोवोल्टिक गुणों पर भी प्रयोग कर रहा है, और यह बहुत संभव है किकाला सिलिकॉनभविष्य में सौर सेल में इसका उपयोग किया जाएगा। 1. काले सिलिकॉन की निर्माण प्रक्रिया
1.1 तैयारी प्रक्रिया
एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन वेफर्स को ट्राइक्लोरोएथिलीन, एसीटोन और मेथनॉल से क्रमानुसार साफ किया जाता है, और फिर उन्हें एक निर्वात कक्ष में त्रि-आयामी रूप से गतिमान लक्ष्य मंच पर रखा जाता है। निर्वात कक्ष का आधार दाब 1.3 × 10⁻² Pa से कम होता है। कार्यशील गैस SF₆, Cl₂, N₂, वायु, H₂S, H₂, SiH₄ आदि हो सकती है, जिसका कार्यशील दाब 6.7 × 10⁴ Pa होता है। वैकल्पिक रूप से, निर्वात वातावरण का उपयोग किया जा सकता है, या निर्वात में सिलिकॉन सतह पर S, Se, या Te के मौलिक पाउडर की परत चढ़ाई जा सकती है। लक्ष्य मंच को पानी में भी डुबोया जा सकता है। Ti:sapphire लेजर रीजनरेटिव एम्पलीफायर द्वारा उत्पन्न फेमटोसेकंड पल्स (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) को एक लेंस द्वारा फोकस किया जाता है और सिलिकॉन सतह पर लंबवत रूप से विकिरणित किया जाता है (लेजर आउटपुट ऊर्जा को एक एट्यूनेटर द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जिसमें एक हाफ-वेव प्लेट और एक पोलराइज़र होता है)। लेजर स्पॉट से सिलिकॉन सतह को स्कैन करने के लिए टारगेट स्टेज को गतिमान करके, बड़े क्षेत्रफल वाली काली सिलिकॉन सामग्री प्राप्त की जा सकती है। लेंस और सिलिकॉन वेफर के बीच की दूरी को बदलकर सिलिकॉन सतह पर विकिरणित प्रकाश स्पॉट के आकार को समायोजित किया जा सकता है, जिससे लेजर फ्लुएंस बदल जाता है; जब स्पॉट का आकार स्थिर होता है, तो टारगेट स्टेज की गति को बदलकर सिलिकॉन सतह के प्रति इकाई क्षेत्रफल पर विकिरणित पल्स की संख्या को समायोजित किया जा सकता है। कार्यशील गैस सिलिकॉन सतह की सूक्ष्म संरचना के आकार को काफी प्रभावित करती है। जब कार्यशील गैस स्थिर होती है, तो लेजर फ्लुएंस और प्रति इकाई क्षेत्रफल प्राप्त पल्स की संख्या को बदलकर सूक्ष्म संरचनाओं की ऊंचाई, पहलू अनुपात और रिक्ति को नियंत्रित किया जा सकता है।
1.2 सूक्ष्मदर्शीय विशेषताएँ
फेम्टोसेकंड लेजर विकिरण के बाद, मूल रूप से चिकनी क्रिस्टलीय सिलिकॉन सतह पर लगभग नियमित रूप से व्यवस्थित छोटी शंक्वाकार संरचनाओं की एक श्रृंखला दिखाई देती है। शंकु के शीर्ष आसपास की अविकिरणित सिलिकॉन सतह के समान तल पर स्थित होते हैं। शंक्वाकार संरचना का आकार कार्यशील गैस से संबंधित होता है, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है, जहां (a), (b) और (c) में दर्शाई गई शंक्वाकार संरचनाएं क्रमशः SF₆, S और N₂ वातावरण में बनती हैं। हालांकि, शंकु के शीर्षों की दिशा गैस से स्वतंत्र होती है और हमेशा लेजर आपतन की दिशा में इंगित करती है, गुरुत्वाकर्षण से अप्रभावित रहती है, और क्रिस्टलीय सिलिकॉन के डोपिंग प्रकार, प्रतिरोधकता और क्रिस्टल अभिविन्यास से भी स्वतंत्र होती है; शंकु के आधार असममित होते हैं, जिनका लघु अक्ष लेजर ध्रुवीकरण दिशा के समानांतर होता है। हवा में बनी शंक्वाकार संरचनाएं सबसे खुरदरी होती हैं, और उनकी सतहें 10-100 एनएम के और भी महीन डेंड्रिटिक नैनोसंरचनाओं से ढकी होती हैं।
लेजर फ्लुएंस जितना अधिक होगा और पल्स की संख्या जितनी अधिक होगी, शंक्वाकार संरचनाएं उतनी ही लंबी और चौड़ी होती जाएंगी। SF6 गैस में, शंक्वाकार संरचनाओं की ऊंचाई h और उनके बीच की दूरी d का संबंध अरैखिक होता है, जिसे लगभग h∝dp के रूप में व्यक्त किया जा सकता है, जहां p=2.4±0.1 है; लेजर फ्लुएंस बढ़ने के साथ ऊंचाई h और उनके बीच की दूरी d दोनों में काफी वृद्धि होती है। जब फ्लुएंस 5 kJ/m² से बढ़कर 10 kJ/m² हो जाता है, तो उनके बीच की दूरी d तीन गुना बढ़ जाती है, और h और d के बीच के संबंध को देखते हुए, ऊंचाई h 12 गुना बढ़ जाती है।
निर्वात में उच्च तापमान (1200 K, 3 घंटे) पर एनीलिंग के बाद, शंक्वाकार संरचनाएंकाला सिलिकॉनइसमें कोई खास बदलाव नहीं हुआ, लेकिन सतह पर मौजूद 10-100 एनएम आकार की डेंड्रिटिक नैनोसंरचनाएं काफी कम हो गईं। आयन चैनलिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी से पता चला कि एनीलिंग के बाद शंक्वाकार सतह पर अव्यवस्था कम हो गई, लेकिन अधिकांश अव्यवस्थित संरचनाएं इन एनीलिंग स्थितियों में अपरिवर्तित रहीं।
1.3 गठन तंत्र
फिलहाल, काले सिलिकॉन के निर्माण की प्रक्रिया स्पष्ट नहीं है। हालांकि, एरिक माज़ूर और उनके सहयोगियों ने कार्यशील वातावरण के साथ सिलिकॉन सतह की सूक्ष्म संरचना के आकार में परिवर्तन के आधार पर अनुमान लगाया है कि उच्च-तीव्रता वाले फेमटोसेकंड लेज़रों के प्रभाव में, गैस और क्रिस्टलीय सिलिकॉन सतह के बीच एक रासायनिक प्रतिक्रिया होती है, जिससे सिलिकॉन सतह कुछ गैसों द्वारा उत्कीर्ण हो जाती है और नुकीले शंकु बन जाते हैं। एरिक माज़ूर और उनके सहयोगियों ने सिलिकॉन सतह की सूक्ष्म संरचना के निर्माण की भौतिक और रासायनिक प्रक्रियाओं को निम्न प्रकार से समझाया है: उच्च-प्रवाह लेज़र पल्स के कारण सिलिकॉन सब्सट्रेट का पिघलना और अपघर्षण; तीव्र लेज़र क्षेत्र द्वारा उत्पन्न प्रतिक्रियाशील आयनों और कणों द्वारा सिलिकॉन सब्सट्रेट का उत्कीर्णन; और सब्सट्रेट सिलिकॉन के अपघर्षित भाग का पुन: क्रिस्टलीकरण।
सिलिकॉन की सतह पर शंक्वाकार संरचनाएं स्वतः ही बन जाती हैं, और बिना मास्क के भी लगभग नियमित संरचना बनाई जा सकती है। एम.वाई. शेन और अन्य ने सिलिकॉन की सतह पर 2 माइक्रोमीटर मोटी ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप कॉपर मेश को मास्क के रूप में लगाया और फिर सिलिकॉन वेफर को SF6 गैस में फेमटोसेकंड लेजर से विकिरणित किया। उन्होंने सिलिकॉन की सतह पर शंक्वाकार संरचनाओं की एक बहुत ही नियमित रूप से व्यवस्थित संरचना प्राप्त की, जो मास्क पैटर्न के अनुरूप थी (चित्र 4 देखें)। मास्क के छिद्र का आकार शंक्वाकार संरचनाओं की व्यवस्था को काफी प्रभावित करता है। मास्क के छिद्रों द्वारा आपतित लेजर के विवर्तन के कारण सिलिकॉन की सतह पर लेजर ऊर्जा का असमान वितरण होता है, जिसके परिणामस्वरूप सिलिकॉन की सतह पर आवधिक तापमान वितरण होता है। अंततः इससे सिलिकॉन की सतह की संरचना नियमित हो जाती है।