ویکی‌پدیا

سیلیکون سیاه

سیلیکون سیاه یک ماده نیمه رسانا است، سطح سیلیکون بازتاب بسیار کمی دارد و به همین خاطر جذب نور مرئی (و مادون قرمز) بالایی دارد.

سیلیکون سیاه در دهه ۱۹۸۰ به‌طور اتفاقی توسط حکاکی یونی واکنشی (RIE) کشف شد.[۱] روش‌های دیگر برای تشکیل ساختار مشابه عبارتند از: اچ کردن الکتروشیمیایی، اچ کردن رنگ، اچ کردن شیمیایی به کمک فلز، و درمان لیزری (که در آزمایشگاه اریک مازور در دانشگاه هاروارد توسعه یافته‌است)، و همچنین فرایند FFC Cambridge (یک فرایند کاهش الکتروشیمیایی می‌باشد).[۲]

سیلیکون سیاه به یک عنصر مهم برای صنعت فتوولتائیک خورشیدی تبدیل شده‌است زیرا راندمان تبدیل نور به الکتریسیته بیشتری دارد که هزینه‌های آن‌ها را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.[۳]

خواص ویرایش

 
میکروگراف الکترونی روبشی سیلیکون سیاه، تولید شده توسط RIE (فرایند ASE)
 
میکروگراف SEM سیلیکون سیاه تشکیل شده توسط RIE برودتی. به سطوح صاف و شیب دار، بر خلاف دیواره‌های جانبی موج دار که با فرایند بوش RIE به دست می‌آیند، توجه کنید.

سیلیکون سیاه دارای یک ساختار سطحی سوزنی شکل است که در آن سوزن‌ها از سیلیکون تک کریستال ساخته شده‌اند و ارتفاع آنها بیش از ۱۰ میکرومتر است و قطر کمتر از ۱ میکرومتر می‌باشد. یکی از ویژگی‌های اصلی آن افزایش جذب نور فرودی است -که سبب بازتاب بالای سیلیکون می‌شود، که معمولاً ۲۰ تا ۳۰٪ برای وقوع بازتاب آن طبیعی است، ولی بعضی اوقات به حدود ۵٪ کاهش می‌یابد. این بازتاب به دلیل تشکیل یک محیط به مؤثر ایجاد شده توسط سوزن‌ها است. در این محیط، رابطه واضحی وجود ندارد، اما تغییر مداومی وجود دارد که ضریب شکست بازتاب فرنل را کاهش می‌دهد. هنگامی که عمق لایه درجه‌بندی شده تقریباً برابر با طول موج نور در سیلیکون باشد (حدود یک چهارم طول موج در خلاء)، بازتاب به ۵٪ کاهش می‌یابد. درجه‌بندی‌های عمیق‌تر، سیلیکون سیاه‌تری تولید می‌کنند.[۴] برای انعکاس کم‌تر، ویژگی‌های مقیاس نانو که لایه درجه‌بندی شده شاخص را تولید می‌کنند باید کوچک‌تر از طول موج نور فرودی باشند تا از پراکندگی جلوگیری شود.[۴]

 
عکس SEM از سیلیکون سیاه با نانومخروط‌های مایل، تولید شده توسط RIE با زاویه مایل.

کاربردها ویرایش

ویژگی‌های نوری غیرمعمولی که دارند، همراه با خواص نیمه رسانایی سیلیکون، این ماده را برای کاربرد در حسگرها مفید می‌سازند. کاربردهای احتمالی سیلیکون سیاه عبارتند از:[۵]

تولید ویرایش

حکاکی یون واکنشی ویرایش

 
میکروگراف الکترونی روبشی یک «سوزن» سیلیکون سیاه، تولید شده توسط RIE (فرایند ASE)

در فناوری نیمه رسانایی، حکاکی یون واکنشی (RIE) یک روش استاندارد برای تولید ترانشه‌ها و سوراخ‌هایی با عمق تا چند صد میکرومتر و نسبت ابعاد بسیار بالا است. در فرایند RIE بوش، این با جابجایی مکرر بین حکاکی و غیرفعال سازی به دست می‌آید. با RIE برودتی، دمای پایین و گاز اکسیژن با تشکیل SiO
2{{سخ}} SiO
2، به راحتی توسط یون‌های جهت دار از پایین جدا می‌شود. هر دو روش RIE می‌توانند سیلیکون سیاه تولید کنند، اما مورفولوژی ساختار حاصل تفاوت اساسی دارد. جابجایی بین حکاکی و غیرفعال شدن فرایند بوش، دیواره‌های جانبی موج‌دار ایجاد می‌کند که روی سیلیکون سیاه تشکیل‌شده از این طریق نیز قابل مشاهده است.

با این حال، در حین حکاکی، زباله‌های کوچکی روی بستر باقی می‌مانند که پرتو یونی را می‌پوشانند و ساختارهایی تولید می‌کنند که حذف نشده و در مراحل اچ و غیرفعال سازی زیر ستون‌های سیلیکونی بلند ایجاد می‌شود. فرایند را می‌توان به گونه ای تنظیم کرد که یک میلیون سوزن در مساحت یک میلی‌متر مربع تشکیل شود.[۱۰]

روش مازور ویرایش

در سال ۱۹۹۹، گروهی از دانشگاه هاروارد به رهبری اریک مازور فرآیندی را توسعه دادند که در آن سیلیکون سیاه با تابش سیلیکون با پالس‌های لیزر فمتوثانیه تولید می‌شد.[۱۷] پس از تابش در حضور گاز حاوی هگزا فلوراید گوگرد و سایر مواد ناخالص، سطح سیلیکون یک ساختار میکروسکوپی خود سازمان یافته از مخروط‌هایی به اندازه میکرومتر ایجاد می‌کند. ماده به دست آمده دارای بسیاری از خواص قابل توجه است، مانند جذب که تا محدوده مادون قرمز، زیر شکاف نواری سیلیکون، از جمله طول موج‌هایی که سیلیکون معمولی برای آنها شفاف است، گسترش می‌یابد. اتم‌های گوگرد به سطح سیلیکون فشار داده می‌شوند و ساختاری با شکاف باند کمتر و در نتیجه توانایی جذب طول موج‌های طولانی‌تر ایجاد می‌کنند.

 
سیلیکون مشکی ساخته شده بدون گاز مخصوص محیط - آزمایشگاه LP3- CNRS

اصلاح سطح مشابهی را می‌توان در خلاء با استفاده از همان نوع لیزر و شرایط پردازش لیزری به دست آورد. در این مورد، مخروط‌های سیلیکونی منفرد فاقد نوک تیز هستند (تصویر را ببینید). بازتاب چنین سطح ریز ساختاری بسیار کم است، ۳–۱۴٪ در محدوده طیفی ۳۵۰–۱۱۵۰ نانومتر[۱۸] چنین کاهشی در بازتاب توسط هندسه مخروطی انجام می‌شود که بازتاب داخلی نور بین آنها را افزایش می‌دهد. از این رو، امکان جذب نور افزایش می‌یابد. افزایش جذب به‌دست‌آمده توسط بافت‌سازی لیزری fs نسبت به روشی که با استفاده از روش اچ شیمیایی قلیایی به‌دست می‌آید،[۱۹] که یک رویکرد صنعتی استاندارد برای بافت سطحی ویفرهای سیلیکونی مونو کریستالی در تولید سلول‌های خورشیدی است، برتر بود. چنین اصلاح سطحی مستقل از جهت‌گیری کریستالی محلی است. یک اثر بافت یکنواخت را می‌توان در سراسر سطح ویفر سیلیکونی چند کریستالی به دست آورد. زوایای بسیار تند انعکاس را نزدیک به صفر کاهش می‌دهند و همچنین احتمال ترکیب مجدد را افزایش می‌دهد و از استفاده در سلول‌های خورشیدی جلوگیری می‌کند.

نانو منافذ ویرایش

هنگامی که ترکیبی از نیترات مس، اسید فسفر، هیدروژن فلوراید و آب به ویفر سیلیکونی اعمال می‌شوند، احیای اسید فسفر یون‌های مس را به نانوذرات مس کاهش می‌دهد. نانوذرات الکترون‌ها را از سطح ویفر جذب می‌کنند، آن را اکسید می‌کنند و به هیدروژن فلوراید اجازه می‌دهند تا نانوحفره‌های هرمی شکل معکوس را در سیلیکون بسوزانند. در این فرایند منافذ به کوچکی ۵۹۰ ایجاد شد نانومتر که بیش از ۹۹ درصد نور را از خود عبور می‌دهد.[۲۰]

حکاکی شیمیایی ویرایش

سیلیکون سیاه را می‌توان با حکاکی شیمیایی با استفاده از فرآیندی به نام اچ شیمیایی با کمک فلز (MACE) تولید کرد.[۲۱][۲۲][۲۳][۲۴]

عملکرد ویرایش

هنگامی که ماده توسط یک ولتاژ الکتریکی کوچک بایاس می‌شود، فوتون‌های جذب شده قادر به تحریک ده‌ها الکترون هستند. حساسیت آشکارسازهای سیلیکون سیاه ۱۰۰ تا ۵۰۰ برابر بیشتر از سیلیکون تصفیه نشده (سیلیکون معمولی) در هر دو طیف مرئی و مادون قرمز است.[۲۵][۲۶]

گروهی در آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر سلول‌های خورشیدی سیلیکونی سیاه را با بازده ۱۸٫۲ درصد گزارش کردند.[۱۳] این سطح ضد انعکاس سیلیکونی سیاه توسط یک فرایند اچ به کمک فلز با استفاده از نانو ذرات نقره تشکیل شده‌است. در ماه مه ۲۰۱۵، محققان دانشگاه آلتو فنلاند با همکاری محققان دانشگاه پلی‌تکنیک کاتالونیا اعلام کردند که سلول‌های خورشیدی سیلیکونی سیاه را با بازده ۲۲٫۱ درصد[۲۷][۲۸] با اعمال یک لایه نازک غیرفعال بر روی نانوساختارها توسط لایه اتمی ایجاد کرده‌اند. رسوب، و با یکپارچه سازی تمام کنتاکت‌های فلزی در قسمت پشتی سلول.

یک تیم که توسط النا ایوانوا در رهبری دانشگاه تکنولوژی سوینبرن در ملبورن در سال ۲۰۱۲ کشف[۲۹] که زنجره و جیرجیرک دشتی بال قاتلان قوی بودند سودوموناس آئروژینوزا، یک جوانه فرصت طلب است که انسان نیز آلوده می‌کند و در حال تبدیل شدن به آنتی‌بیوتیک مقاوم در برابر. این اثر از «نانو ستون‌هایی» با فاصلهٔ منظم ناشی می‌شد که باکتری‌ها روی سطح آن‌ها را تکه‌تکه می‌کردند.

هر دو بال سیکادا و سیلیکون سیاه در آزمایشگاه قرار گرفتند و هر دو ضد باکتری بودند. سطوح صاف به لمس انسان، باکتری‌های گرم منفی و گرم مثبت و همچنین هاگ‌های باکتری را از بین می‌برد.

سه گونه باکتریایی هدف قرار گرفتند پ. ایروگینوزا, استافیلوکوک اوروس و باسیلوس سوبتیلیس, جوانه خاک گسترده‌ای است که پسر عموی است سیاه زخم.

نرخ کشتار باکتری ۴۵۰٬۰۰۰ در هر سانتی‌متر مربع در دقیقه بیش از سه ساعت اول قرار گرفتن در معرض یا ۸۱۰ برابر حداقل دوز مورد نیاز برای عفونی کردن یک فرد بود س. اوروس و ۷۷٬۴۰۰ بار از پ. ایروگینوزا. با این حال بعداً ثابت شد که پروتکل کمی سازی تیم ایوانوا برای این نوع سطوح ضد باکتری مناسب نیست.

جستارهای وابسته ویرایش

منابع ویرایش

  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. ↑ ۲٫۰ ۲٫۱ 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. خطای یادکرد: برچسب <ref> نامعتبر؛ نام «BSi» چندین بار با محتوای متفاوت تعریف شده است. (صفحهٔ راهنما را مطالعه کنید.).
  3. ↑ 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 (به انگلیسی). 11 (9): 2337. doi:10.3390/en11092337.
  4. ↑ ۴٫۰ ۴٫۱ 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.
  5. ↑ Carsten Meyer: "Black Silicon: sensor material of the future?" Heise Online. 5 February 2009
  6. ↑ 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. Archived from the original (PDF) on 2011-07-24.
  7. ↑ 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. Archived from the original (PDF) on 2011-07-24.
  8. ↑ Gail Overton: Terahertz Technology: Black silicon emits terahertz radiation. In:Laser Focus World, 2008
  9. ↑ Cheng-Hsien Liu: Formation of Silicon nanopores and Nanopillars by a Maskless Deep Reactive Ion Etching Process[پیوند مرده], 11 Nov. 2008
  10. ↑ ۱۰٫۰ ۱۰٫۱ Martin Schaefer: Velcro in miniature - "silicon grass holds together micro-components" بایگانی‌شده در ۲۴ ژوئیه ۲۰۱۱ توسط Wayback Machine In: wissenschaft.de. 21 June 2006.
  11. ↑ 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 (به انگلیسی). 7 (11): 743–748. Bibcode:2012NatNa...7..743O. doi:10.1038/nnano.2012.166. ISSN 1748-3395. PMID 23023643.
  12. ↑ Black Silicon Comes Back - And Cheaper than Ever, 7 September 2010
  13. ↑ ۱۳٫۰ ۱۳٫۱ 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. خطای یادکرد: برچسب <ref> نامعتبر؛ نام «autogenerated743» چندین بار با محتوای متفاوت تعریف شده است. (صفحهٔ راهنما را مطالعه کنید.).
  14. ↑ "Black silicon slices and dices bacteria". Gizmag.com. Retrieved 2013-11-29.
  15. ↑ 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.
  16. ↑ 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.
  17. ↑ William J. Cromie arises:Black Silicon, A New Way To Trap Light بایگانی‌شده در ۱۳ ژانویه ۲۰۱۰ توسط Wayback Machine.In:Harvard Gazette.9 December 1999, accessed on 16 February 2009.
  18. ↑ Torres, R. , Vervisch, V. , Halbwax, M. , Sarnet, T. , Delaporte, P. , Sentis, M. , Ferreira, J. , Barakel, D. , Bastide, S. , Torregrosa, F. , Etienne, H. , and Roux, L. , "Femtosecond laser texturization for improvement of photovoltaic cells: Black silicon", Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, Volume 12, No. 3, pp. 621–625, 2010.
  19. ↑ Sarnet, T. , Torres, R. , Vervisch, V. , Delaporte, P. , Sentis, M. , Halbwax, M. , Ferreira, J. , Barakel, D. , Pasquielli, M. , Martinuzzi, S. , Escoubas, L. , Torregrosa, F. , Etienne, H. , and Roux, L. , "Black silicon recent improvements for photovaltaic cells", Proceedings of the International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, 2008.
  20. ↑ Williams, Mike (2014-06-18). "One step to solar cell efficiency". Rdmag.com. Retrieved 2014-06-22.
  21. ↑ 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 (به انگلیسی). 25: 2–17. doi:10.1016/j.mssp.2014.02.005. ISSN 1369-8001.
  22. ↑ Koynov, Svetoslav; Brandt, Martin S.; Stutzmann, Martin (2007). "Black multi-crystalline silicon solar cells". Physica Status Solidi RRL (به انگلیسی). 1 (2): R53–R55. Bibcode:2007PSSRR...1R..53K. doi:10.1002/pssr.200600064. ISSN 1862-6270.
  23. ↑ 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 (به انگلیسی). 191: 1–8. doi:10.1016/j.solmat.2018.10.015. ISSN 0927-0248.
  24. ↑ Uddin, Shahnawaz; Hashim, Md. Roslan; Pakhuruddin, Mohd Zamir (2021-03-12). "Aluminium-assisted chemical etching for fabrication of black silicon". Materials Chemistry and Physics (به انگلیسی). 124469: 124469. doi:10.1016/j.matchemphys.2021.124469. ISSN 0254-0584.
  25. ↑ Wade Roush: "SiOnyx Brings "Black Silicon" into the Light; Material Could upend Solar, Imaging Industries". In: Xconomy. 10 December 2008
  26. ↑ 'Black Silicon' A new type of silicon promises cheaper, more-sensitive light detectors, Technology Review Online. 29 October 2008
  27. ↑ "Efficiency record for black silicon solar cells jumps to 22.1%".
  28. ↑ 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.
  29. ↑ 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.

پیوند به بیرون ویرایش

برگرفته از «https://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=سیلیکون_سیاه&oldid=38613636»