Ábhar Réabhlóideach Nua – Sileacan Dubh
Is cineál nua ábhair sileacain é sileacan dubh a bhfuil airíonna optúlaictreonacha den scoth aige. Déanann an t-alt seo achoimre ar an obair thaighde ar shileacan dubh ag Eric Mazur agus taighdeoirí eile le blianta beaga anuas, ag tabhairt sonraí faoi mheicníocht ullmhúcháin agus foirmithe an tsileacain dhuibh, chomh maith lena airíonna amhail ionsú, lonrúlacht, astaíocht réimse, agus freagairt speictreach. Leagann sé béim freisin ar na feidhmeanna tábhachtacha féideartha atá ag sileacan dubh i mbrathadóirí infridhearg, i gcealla gréine, agus i dtaispeántais phainéil chomhréidh.
Úsáidtear sileacan criostalach go forleathan sa tionscal leathsheoltóra mar gheall ar a bhuntáistí amhail éascaíocht íonúcháin, éascaíocht dópála, agus friotaíocht ardteochta. Mar sin féin, tá go leor míbhuntáistí aige freisin, amhail ard-fhrithchaiteacht solais infheicthe agus infridhearg ar a dhromchla. Ina theannta sin, mar gheall ar a bhearna mhór banda,sileacan criostalachní féidir leo solas a ionsú le tonnfhaid níos mó ná 1100 nm. Nuair a bhíonn tonnfhad an tsolais teagmhais níos mó ná 1100 nm, laghdaítear go mór an ráta ionsúcháin agus freagartha brathadóirí sileacain. Caithfear ábhair eile amhail gearmáiniam agus indium gallium arsanaíd a úsáid chun na tonnfhaid seo a bhrath. Mar sin féin, cuireann an costas ard, na hairíonna teirmidinimiciúla agus droch-cháilíocht criostail, agus an neamh-chomhoiriúnacht le próisis sileacain aibí atá ann cheana teorainn lena n-fheidhmchlár i bhfeistí bunaithe ar sileacan. Dá bhrí sin, is ábhar taighde te fós é machnamh dhromchlaí sileacain chriostalach a laghdú agus raon tonnfhaid braite brathadóirí fóta-bhunaithe agus brathadóirí atá comhoiriúnach le sileacan a leathnú.
Chun frithchaitheamh dhromchlaí sileacain chriostalach a laghdú, baineadh úsáid as go leor modhanna agus teicnící turgnamhacha, amhail fótailigrafaíocht, greanadh ian imoibríoch, agus greanadh leictriceimiceach. Is féidir leis na teicnící seo, go pointe áirithe, moirfeolaíocht dhromchla agus gar-dhromchla sileacain chriostalach a athrú, rud a laghdaíonn...sileacan Frithchaitheamh dromchla. Sa raon solais infheicthe, is féidir le laghdú ar fhrithchaitheamh ionsú a mhéadú agus éifeachtúlacht gléasanna a fheabhsú. Mar sin féin, ag tonnfhaid os cionn 1100 nm, mura dtugtar aon leibhéil fuinnimh ionsúcháin isteach sa bhearna banda sileacain, ní bhíonn ach tarchur méadaithe mar thoradh ar fhrithchaitheamh laghdaithe, toisc go gcuireann bearna banda an tsiliceáin teorainn lena ionsú solais fadtonnfhaid sa deireadh. Dá bhrí sin, chun raon tonnfhaid íogair gléasanna atá bunaithe ar sileacan agus gléasanna atá comhoiriúnach le sileacan a leathnú, is gá ionsú fótóin laistigh den bhearna banda a mhéadú agus frithchaitheamh dromchla an tsiliceáin a laghdú ag an am céanna.
Ag deireadh na 1990idí, fuair an tOllamh Eric Mazur agus daoine eile in Ollscoil Harvard ábhar nua—sileacan dubh—le linn a gcuid taighde ar idirghníomhaíocht léasair femtosoicind le hábhar, mar a thaispeántar i bhFíor 1. Agus airíonna fótaileictreacha an tsileacain dhuibh á ndéanamh acu, chuir iontas ar Eric Mazur agus a chomhghleacaithe a fháil amach go bhfuil airíonna fótaileictreacha uathúla ag an ábhar sileacain micreastruchtúrtha seo. Glacann sé beagnach gach solas sa raon gar-ultraivialait agus gar-infridhearg (0.25–2.5 μm), agus taispeánann sé tréithe lonrúla infheicthe agus gar-infridhearg den scoth agus airíonna maithe astaíochta réimse. Chuir an fionnachtain seo sceitimíní faoi deara sa tionscal leathsheoltóra, agus irisí móra ag iarraidh tuairisciú air. Sa bhliain 1999, d’fhoilsigh irisí Scientific American agus Discover, sa bhliain 2000 rannóg eolaíochta Los Angeles Times, agus sa bhliain 2001 iris New Scientist ailt ghné-ailt ag plé fionnachtain an tsileacain dhuibh agus a fheidhmeanna féideartha, agus iad den tuairim go raibh luach suntasach féideartha aige i réimsí ar nós braiteadh cianda, cumarsáid optúil, agus micrileictreonaic.
Faoi láthair, tá taighde fairsing déanta ag T. Samet ón bhFrainc, Anoife M. Moloney ón Éirinn, Zhao Li ó Ollscoil Fudan sa tSín, agus Men Haining ó Acadamh Eolaíochtaí na Síne ar shiliceán dubh agus tá torthaí réamhchéime bainte amach acu. Tá $11 milliún bailithe ag SiOnyx, cuideachta i Massachusetts, SAM, i gcaipiteal fiontair chun feidhmiú mar ardán forbartha teicneolaíochta do chuideachtaí eile, agus tá tús curtha acu le táirgeadh tráchtála sliseán siliceáin dubh bunaithe ar braiteoirí, ag ullmhú chun na táirgí críochnaithe a úsáid i gcórais íomháithe infridhearg den chéad ghlúin eile. Dúirt Stephen Saylor, POF SiOnyx, go meallfaidh buntáistí ísealchostais agus ard-íogaireachta na teicneolaíochta siliceáin dubh aird chuideachtaí atá dírithe ar mhargaí taighde agus íomháithe leighis. Amach anseo, d'fhéadfadh sé dul isteach sa mhargadh ceamaraí digiteacha agus camcorder ilbhilliún dollar fiú. Tá SiOnyx ag déanamh turgnamh faoi láthair le hairíonna fótavoltacha siliceáin dhuibh, agus is dócha go mór go...sileacan dubhúsáidfear i gcealla gréine iad amach anseo. 1. Próiseas Foirmithe Sileacain Dhuibh
1.1 Próiseas Ullmhúcháin
Glantar sliseáin sileacain aonchriostail de réir a chéile le tríchlóireitiléin, aicéatón, agus meatánól, agus ansin cuirtear iad ar chéim sprice tríthoiseach shochorraithe i seomra folúis. Tá brú bonn an tseomra folúis níos lú ná 1.3 × 10⁻² Pa. Is féidir leis an ngás oibre a bheith SF₆, Cl₂, N₂, aer, H₂S, H₂, SiH₄, etc., le brú oibre de 6.7 × 10⁴ Pa. Nó is féidir timpeallacht folúis a úsáid, nó is féidir púdair eiliminteacha de S, Se, nó Te a sciathú ar dhromchla an tsiliceáin i bhfolús. Is féidir an chéim sprice a thumadh in uisce freisin. Dírítear bíoga femtosoicind (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) a ghintear le aimplitheoir athghiniúnach léasair Ti:sapphire le lionsa agus radaítear iad go hingearach ar dhromchla an tsiliceáin (rialú déantar fuinneamh aschuir an léasair a rialú ag maolaitheoir, atá comhdhéanta de phláta leaththonnta agus polaraitheoir). Trí bhogadh an stáitse sprice chun dromchla an tsiliceáin a scanadh leis an spota léasair, is féidir ábhar siliceáin dubh limistéar mór a fháil. Is féidir le hathrú an achair idir an lionsa agus an scealp siliceáin méid an spota solais atá radaithe ar dhromchla an tsiliceáin a choigeartú, rud a athraíonn sreabhadh an léasair; nuair a bhíonn méid an spota tairiseach, is féidir le hathrú luas gluaiseachta an stáitse sprice líon na mbíoga atá radaithe ar achar aonaid den dromchla siliceáin a choigeartú. Bíonn tionchar suntasach ag an ngás oibre ar chruth mhicreastruchtúr dhromchla an tsiliceáin. Nuair a bhíonn an gás oibre tairiseach, is féidir le hathrú sreabhadh an léasair agus líon na mbíoga a fhaightear in aghaidh an aonaid limistéir airde, cóimheas gné, agus spásáil na micreastruchtúr a rialú.
1.2 Saintréithe Micreascópacha
Tar éis radaíocht léasair femtosoicind, taispeánann an dromchla sileacain criostalach réidh ar dtús sraith de struchtúir chónúla beaga atá socraithe go garbh-rialta. Tá bairr na gcón ar an eitleán céanna leis an dromchla sileacain neamh-ionradaithe máguaird. Tá cruth an struchtúir chónúil gaolmhar leis an ngás oibre, mar a thaispeántar i bhFíor 2, áit a bhfoirmítear na struchtúir chónúla a thaispeántar in (a), (b), agus (c) in atmaisféir SF₆, S, agus N₂, faoi seach. Mar sin féin, tá treo bairr na gcón neamhspleách ar an ngás agus bíonn sé i gcónaí ag pointeáil i dtreo ionsaí léasair, gan tionchar ag domhantarraingt air, agus neamhspleách freisin ar chineál dópála, friotaíocht, agus treoshuíomh criostail an tsiliceáin chriostaigh; tá bunanna na gcón neamhshiméadrach, agus a n-ais ghearr comhthreomhar le treo polaraithe an léasair. Is iad na struchtúir chónúla a fhoirmítear san aer na cinn is garbha, agus tá a ndromchlaí clúdaithe le nanastruchtúir deindríteacha níos míne fós de 10–100 nm.
Dá airde an sreabhán léasair agus dá mhéad líon na bíog, is airde agus is leithne a bhíonn na struchtúir chónúla. I ngás SF6, tá caidreamh neamhlíneach idir airde h agus spásáil d na struchtúr cónúil, ar féidir é a chur in iúl go garbh mar h∝dp, áit a bhfuil p=2.4±0.1; méadaíonn airde h agus spásáil d go suntasach de réir mar a mhéadaíonn an sreabhán léasair. Nuair a mhéadaíonn an sreabhán ó 5 kJ/m² go 10 kJ/m², méadaíonn an spásáil d faoi 3 huaire, agus in éineacht leis an ngaol idir h agus d, méadaíonn an airde h faoi 12 huaire.
Tar éis annéalú ardteochta (1200 K, 3 uair an chloig) i bhfolús, struchtúir chónúlasileacan dubhníor athraigh sé go suntasach, ach laghdaíodh go mór na nanastruchtúir deindríteacha 10–100 nm ar an dromchla. Léirigh speictreascópacht cainéalaithe ian gur laghdaigh an neamhord ar an dromchla cónúil tar éis análú, ach níor athraigh formhór na struchtúr neamhordaithe faoi na coinníollacha análú seo.
1.3 Sásra Foirmithe
Faoi láthair, níl an mheicníocht fhoirmithe sileacain dhuibh soiléir. Mar sin féin, rinne Eric Mazur et al. tuairimíocht, bunaithe ar an athrú i gcruth mhicreastruchtúr dhromchla an tsiliceáin leis an atmaisféar oibre, go mbíonn imoibriú ceimiceach idir an gás agus dromchla criostalach an tsiliceáin faoi spreagadh léasair femtosoicind ard-déine, rud a ligeann do dhromchla an tsiliceáin a bheith greanta ag gáis áirithe, agus cóin ghéara á bhfoirmiú. Chuir Eric Mazur et al. na meicníochtaí fisiceacha agus ceimiceacha a bhaineann le foirmiú micreastruchtúr dhromchla an tsiliceáin i leith: leá agus abláisiú an tsubstráit sileacain de bharr bíoga léasair ard-sreabhachta; greanadh an tsubstráit sileacain ag iain agus cáithníní imoibríocha a ghintear ag an réimse léasair láidir; agus athchriostalú na coda abláithithe den tsubstráit sileacain.
Cruthaítear na struchtúir chónúla ar dhromchla an tsiliceáin go spontáineach, agus is féidir eagar beagnach rialta a chruthú gan masc. Cheangail MY Shen et al. mogalra copair micreascóp leictreon tarchurtha 2 μm ar tiús leis an dromchla sileacain mar masc, agus ansin rinne siad an scealp sileacain a ionradaíocht i ngás SF6 le léasar femtosoicind. Fuair siad eagar an-rialta de struchtúir chónúla ar dhromchla an tsiliceáin, ag teacht le patrún an masc (féach Fíor 4). Bíonn tionchar suntasach ag méid oscailt an masc ar shocrú na struchtúr cónúil. Is cúis le difreactadh an léasair teagmhais ag oscailtí an masc dáileadh neamh-aonfhoirmeach fuinnimh léasair ar dhromchla an tsiliceáin, rud a fhágann dáileadh teochta tréimhsiúil ar dhromchla an tsiliceáin. Sa deireadh thiar, cuireann sé seo iallach ar eagar struchtúr dhromchla an tsiliceáin a bheith rialta.