هڪ انقلابي نئون مواد - ڪارو سلڪون
ڪارو سلڪون هڪ نئين قسم جو سلڪون مواد آهي جنهن ۾ بهترين آپٽو اليڪٽرانڪ خاصيتون آهن. هي مضمون تازو سالن ۾ ايريڪ مزور ۽ ٻين محققن پاران ڪاري سلڪون تي ڪيل تحقيقي ڪم جو خلاصو پيش ڪري ٿو، جنهن ۾ ڪاري سلڪون جي تياري ۽ ٺهڻ جي ميڪانيزم جي تفصيل سان گڏوگڏ ان جي خاصيتن جهڙوڪ جذب، روشني، فيلڊ اخراج، ۽ اسپيڪٽرل ردعمل شامل آهن. اهو انفراريڊ ڊيٽيڪٽرز، سولر سيلز، ۽ فليٽ پينل ڊسپليز ۾ ڪاري سلڪون جي اهم امڪاني ايپليڪيشنن کي پڻ اشارو ڪري ٿو.
ڪرسٽل سلڪون سيمي ڪنڊڪٽر انڊسٽري ۾ وڏي پيماني تي استعمال ٿئي ٿو ڇاڪاڻ ته ان جي فائدن جهڙوڪ صاف ڪرڻ ۾ آساني، ڊوپنگ ۾ آساني، ۽ اعليٰ درجه حرارت جي مزاحمت. بهرحال، ان ۾ ڪيتريون ئي خاميون پڻ آهن، جهڙوڪ ان جي مٿاڇري تي نظر ايندڙ ۽ انفراريڊ روشني جي اعليٰ عڪاسي. ان کان علاوه، ان جي وڏي بينڊ گيپ جي ڪري،ڪرسٽل سلڪون1100 nm کان وڌيڪ طول موج سان روشني جذب نه ٿي ڪري سگهي. جڏهن واقعي واري روشني جي طول موج 1100 nm کان وڌيڪ هوندي آهي، ته سلڪون ڊيڪٽرن جي جذب ۽ جواب جي شرح تمام گهٽجي ويندي آهي. انهن طول موج کي ڳولڻ لاءِ جرمينيم ۽ انڊيم گيليم آرسنائيڊ جهڙا ٻيا مواد استعمال ڪرڻ گهرجن. بهرحال، اعليٰ قيمت، خراب ٿرموڊائنامڪ خاصيتون ۽ ڪرسٽل معيار، ۽ موجوده بالغ سلڪون عملن سان عدم مطابقت سلڪون تي ٻڌل ڊوائيسز ۾ انهن جي استعمال کي محدود ڪري ٿي. تنهن ڪري، ڪرسٽل لائن سلڪون سطحن جي عڪاسي کي گهٽائڻ ۽ سلڪون تي ٻڌل ۽ سلڪون سان مطابقت رکندڙ فوٽو ڊيٽيڪٽرن جي ڳولا جي طول موج جي حد کي وڌائڻ هڪ گرم تحقيق جو موضوع رهي ٿو.
ڪرسٽل سلڪون جي مٿاڇري جي عڪاسي کي گهٽائڻ لاءِ، ڪيترائي تجرباتي طريقا ۽ ٽيڪنڪ استعمال ڪيا ويا آهن، جهڙوڪ فوٽو ليٿوگرافي، رد عمل آئن ايچنگ، ۽ اليڪٽرو ڪيميڪل ايچنگ. اهي ٽيڪنڪ، ڪجهه حد تائين، ڪرسٽل سلڪون جي مٿاڇري ۽ ويجهو مٿاڇري جي مورفولوجي کي تبديل ڪري سگهن ٿيون، اهڙيءَ طرح گهٽائي سگهن ٿيون.سليڪان مٿاڇري جي عڪاسي. نظر ايندڙ روشني جي حد ۾، عڪاسي کي گهٽائڻ سان جذب وڌي سگهي ٿو ۽ ڊوائيس جي ڪارڪردگي بهتر ٿي سگهي ٿي. جڏهن ته، 1100 nm کان وڌيڪ طول موج تي، جيڪڏهن سلڪون بينڊ گيپ ۾ جذب ٿيندڙ توانائي جي سطح متعارف نه ڪرائي وڃي، ته گهٽ عڪاسي صرف ٽرانسميشن ۾ واڌ جو سبب بڻجي ٿي، ڇاڪاڻ ته سلڪون جو بينڊ گيپ آخرڪار ڊگهي طول موج جي روشني جي جذب کي محدود ڪري ٿو. تنهن ڪري، سلڪون تي ٻڌل ۽ سلڪون سان مطابقت رکندڙ ڊوائيسز جي حساس طول موج جي حد کي وڌائڻ لاءِ، سلڪون جي مٿاڇري جي عڪاسي کي گهٽائڻ دوران بينڊ گيپ اندر فوٽون جذب کي وڌائڻ ضروري آهي.
1990 جي ڏهاڪي جي آخر ۾، پروفيسر ايريڪ مزور ۽ هارورڊ يونيورسٽي ۾ ٻين هڪ نئون مواد - ڪارو سلڪون - حاصل ڪيو جڏهن انهن مادي سان فيمٽو سيڪنڊ ليزر جي رابطي تي پنهنجي تحقيق دوران، جيئن شڪل 1 ۾ ڏيکاريل آهي. ڪاري سلڪون جي فوٽو اليڪٽرڪ خاصيتن جو مطالعو ڪندي، ايريڪ مزور ۽ سندس ساٿي حيران ٿي ويا ته هن مائڪرو اسٽرڪچرڊ سلڪون مواد ۾ منفرد فوٽو اليڪٽرڪ خاصيتون آهن. اهو تقريبن سڀني روشني کي ويجهي الٽراوائليٽ ۽ ويجهي انفراريڊ رينج (0.25-2.5 μm) ۾ جذب ڪري ٿو، شاندار نظر ايندڙ ۽ ويجهي انفراريڊ چمڪ جي خاصيتن ۽ سٺي فيلڊ اخراج جي خاصيتن جي نمائش ڪري ٿو. هن دريافت سيمي ڪنڊڪٽر انڊسٽري ۾ هڪ سنسني پيدا ڪئي، جنهن ۾ وڏيون رسالا ان تي رپورٽ ڪرڻ لاءِ تيار هئا. 1999 ۾، سائنٽيفڪ آمريڪن ۽ ڊسڪور ميگزين، 2000 ۾ لاس اينجلس ٽائمز سائنس سيڪشن، ۽ 2001 ۾ نيو سائنٽسٽ ميگزين سڀني فيچر آرٽيڪل شايع ڪيا جيڪي ڪاري سلڪون جي دريافت ۽ ان جي امڪاني ايپليڪيشنن تي بحث ڪندا هئا، اهو يقين ڪيو ته ان ۾ ريموٽ سينسنگ، آپٽيڪل ڪميونيڪيشن، ۽ مائڪرو اليڪٽرانڪس جهڙن شعبن ۾ اهم امڪاني قدر آهي.
هن وقت، فرانس مان ٽي سامٽ، آئرلينڊ مان اينوائيف ايم مولوني، چين ۾ فوڊان يونيورسٽي مان زاؤ لي، ۽ چيني اڪيڊمي آف سائنسز مان مين هيننگ سڀني ڪاري سلڪون تي وسيع تحقيق ڪئي آهي ۽ ابتدائي نتيجا حاصل ڪيا آهن. آمريڪا جي ميساچوسٽس ۾ هڪ ڪمپني، سائونڪس، ٻين ڪمپنين لاءِ ٽيڪنالاجي ڊولپمينٽ پليٽ فارم جي طور تي ڪم ڪرڻ لاءِ وينچر ڪيپيٽل ۾ 11 ملين ڊالر گڏ ڪيا آهن، ۽ سينسر تي ٻڌل ڪاري سلڪون ويفرز جي ڪمرشل پيداوار شروع ڪري ڇڏي آهي، تيار ڪيل شين کي ايندڙ نسل جي انفراريڊ اميجنگ سسٽم ۾ استعمال ڪرڻ جي تياري ڪري رهي آهي. سائونڪس جي سي اي او اسٽيفن سيلر چيو ته ڪاري سلڪون ٽيڪنالاجي جا گهٽ قيمت ۽ اعليٰ حساسيت جا فائدا ناگزير طور تي تحقيق ۽ طبي اميجنگ مارڪيٽن تي ڌيان ڏيندڙ ڪمپنين جو ڌيان ڇڪائيندا. مستقبل ۾، اهو ڪيترن ئي ارب ڊالرن جي ڊجيٽل ڪئميرا ۽ ڪيمڪارڊر مارڪيٽ ۾ به داخل ٿي سگهي ٿو. سائونڪس هن وقت ڪاري سلڪون جي فوٽووولٽڪ خاصيتن سان پڻ تجربا ڪري رهيو آهي، ۽ اهو تمام گهڻو امڪان آهي تهڪارو سلڪونمستقبل ۾ شمسي سيلن ۾ استعمال ڪيو ويندو. 1. ڪاري سلڪون جي ٺهڻ جو عمل
1.1 تياري جو عمل
سنگل ڪرسٽل سلڪون ويفرز کي ٽرائڪلوروٿيلين، ايسٽون ۽ ميٿانول سان ترتيب وار صاف ڪيو ويندو آهي، ۽ پوءِ ويڪيوم چيمبر ۾ ٽي-dimensionally movable ٽارگيٽ اسٽيج تي رکيو ويندو آهي. ويڪيوم چيمبر جو بنيادي دٻاءُ 1.3 × 10⁻² Pa کان گهٽ هوندو آهي. ڪم ڪندڙ گئس SF₆، Cl₂، N₂، هوا، H₂S، H₂، SiH₄، وغيره ٿي سگهي ٿي، 6.7 × 10⁴ Pa جي ڪم ڪندڙ دٻاءُ سان. متبادل طور تي، هڪ ويڪيوم ماحول استعمال ڪري سگهجي ٿو، يا S، Se، يا Te جي عنصري پائوڊر کي ويڪيوم ۾ سلڪون جي مٿاڇري تي ڪوٽ ڪري سگهجي ٿو. ٽارگيٽ اسٽيج کي پاڻي ۾ به غرق ڪري سگهجي ٿو. ٽي: سيفائر ليزر ريجنريٽو ايمپليفائر پاران پيدا ٿيندڙ فيمٽو سيڪنڊ دالون (800 اين ايم، 100 ايف ايس، 500 μJ، 1 ڪلو هرٽز) هڪ لينس ذريعي مرڪوز ڪيون وينديون آهن ۽ سلڪون جي مٿاڇري تي عمودي طور تي شعاع ڪيون وينديون آهن (ليزر آئوٽ پُٽ انرجي هڪ ايٽينوئيٽر ذريعي ڪنٽرول ڪئي ويندي آهي، جنهن ۾ اڌ-ويو پليٽ ۽ پولرائزر شامل آهن). ليزر اسپاٽ سان سلڪون جي مٿاڇري کي اسڪين ڪرڻ لاءِ ٽارگيٽ اسٽيج کي منتقل ڪرڻ سان، وڏي ايراضي وارو ڪارو سلڪون مواد حاصل ڪري سگهجي ٿو. لينس ۽ سلڪون ويفر جي وچ ۾ فاصلو تبديل ڪرڻ سان سلڪون جي مٿاڇري تي شعاع ڪيل روشني واري جڳهه جي سائيز کي ترتيب ڏئي سگهجي ٿو، ان ڪري ليزر جي روانگي کي تبديل ڪري سگهجي ٿو؛ جڏهن اسپاٽ جي سائيز مستقل هوندي آهي، ته ٽارگيٽ اسٽيج جي حرڪت جي رفتار کي تبديل ڪرڻ سان سلڪون جي مٿاڇري جي هڪ يونٽ علائقي تي شعاع ڪيل دالن جي تعداد کي ترتيب ڏئي سگهجي ٿو. ڪم ڪندڙ گئس سلڪون جي مٿاڇري جي مائڪرو اسٽرڪچر جي شڪل کي خاص طور تي متاثر ڪري ٿي. جڏهن ڪم ڪندڙ گئس مسلسل هوندي آهي، ليزر جي روانگي ۽ في يونٽ علائقي ۾ حاصل ٿيندڙ دالن جي تعداد کي تبديل ڪرڻ سان مائڪرو اسٽرڪچر جي اوچائي، اسپيڪٽ ريشو ۽ فاصلي کي ڪنٽرول ڪري سگهجي ٿو.
1.2 خوردبيني خاصيتون
فيمٽو سيڪنڊ ليزر شعاع کان پوءِ، اصل ۾ هموار ڪرسٽل سلڪون مٿاڇري نيم باقاعده ترتيب ڏنل ننڍڙن مخروطي ڍانچن جي هڪ صف کي ظاهر ڪري ٿي. مخروطي ڍانچي جا چوٽيون ساڳئي سطح تي آهن جيئن چوڌاري غير شعاع ٿيل سلڪون مٿاڇري. مخروطي ڍانچي جي شڪل ڪم ڪندڙ گئس سان لاڳاپيل آهي، جيئن شڪل 2 ۾ ڏيکاريل آهي، جتي (a)، (b)، ۽ (c) ۾ ڏيکاريل مخروطي ڍانچي ترتيب وار SF₆، S، ۽ N₂ ماحول ۾ ٺهيل آهن. بهرحال، مخروطي ڍانچي جي هدايت گئس کان آزاد آهي ۽ هميشه ليزر جي واقعن جي طرف اشارو ڪري ٿي، ڪشش ثقل کان متاثر نه ٿيندي، ۽ ڪرسٽل سلڪون جي ڊوپنگ قسم، مزاحمت، ۽ ڪرسٽل رخ کان پڻ آزاد؛ مخروطي بنياد غير متناسب آهن، انهن جو ننڍو محور ليزر پولرائيزيشن جي هدايت سان متوازي آهي. هوا ۾ ٺهيل مخروطي ڍانچي سڀ کان وڌيڪ سخت آهن، ۽ انهن جون مٿاڇريون 10-100 nm جي وڌيڪ باریک ڊينڊريٽڪ نانو اسٽريچر سان ڍڪيل آهن.
ليزر جي رواني جيتري وڌيڪ هوندي ۽ نبضن جو تعداد جيترو وڌيڪ هوندو، اوترو ئي مخروطي بناوتون ڊگھيون ۽ ويڪريون ٿينديون. SF6 گئس ۾، مخروطي بناوتن جي اوچائي h ۽ فاصلو d جو هڪ غير لڪير وارو تعلق هوندو آهي، جيڪو تقريبن h∝dp جي طور تي ظاهر ڪري سگهجي ٿو، جتي p=2.4±0.1؛ ليزر جي رواني جي واڌ سان اوچائي h ۽ فاصلو d ٻئي خاص طور تي وڌندا آهن. جڏهن رواني 5 kJ/m² کان 10 kJ/m² تائين وڌي ٿي، ته فاصلو d 3 ڀيرا وڌي ٿو، ۽ h ۽ d جي وچ ۾ تعلق سان گڏ، اوچائي h 12 ڀيرا وڌي ٿي.
هڪ ويڪيوم ۾ تيز گرمي پد جي اينيلنگ (1200 K، 3 h) کان پوءِ، مخروطي جوڙجڪڪارو سلڪونخاص طور تي تبديلي نه آئي، پر مٿاڇري تي 10-100 nm ڊينڊريٽڪ نانو اسٽريچر تمام گهٽجي ويا. آئن چينلنگ اسپيڪٽرو اسڪوپي ڏيکاريو ته مخروطي مٿاڇري تي خرابي اينيلنگ کان پوءِ گهٽجي وئي، پر گهڻيون خراب ٿيل بناوتون انهن اينيلنگ حالتن هيٺ تبديل نه ٿيون.
1.3 ٺهڻ جو طريقو
في الحال، ڪاري سلڪون جي ٺهڻ جو طريقو واضح ناهي. بهرحال، ايريڪ مزور ۽ ٻين سلڪون جي مٿاڇري جي مائڪرو اسٽرڪچر جي شڪل ۾ ڪم ڪندڙ ماحول سان تبديلي جي بنياد تي اندازو لڳايو ته تيز شدت واري فيمٽو سيڪنڊ ليزر جي محرڪ هيٺ، گئس ۽ ڪرسٽل سلڪون جي مٿاڇري جي وچ ۾ هڪ ڪيميائي رد عمل ٿئي ٿو، جنهن جي ڪري سلڪون جي مٿاڇري کي ڪجهه گئسن ذريعي ايچ ڪيو ويندو آهي، جنهن سان تيز ڪونز ٺاهيا ويندا آهن. ايريڪ مزور ۽ ٻين سلڪون جي مٿاڇري جي مائڪرو اسٽرڪچر جي ٺهڻ جي جسماني ۽ ڪيميائي ميڪانيزم کي منسوب ڪيو: تيز فلوئنس ليزر دال جي ڪري سلڪون سبسٽريٽ جو پگھلڻ ۽ ختم ڪرڻ؛ مضبوط ليزر فيلڊ پاران پيدا ٿيندڙ رد عمل واري آئن ۽ ذرڙن ذريعي سلڪون سبسٽريٽ جو ايچنگ؛ ۽ سبسٽريٽ سلڪون جي ابليٽ ٿيل حصي جو ٻيهر ڪرسٽلائيزيشن.
سلڪون جي مٿاڇري تي مخروطي بناوت پاڻمرادو ٺهي وينديون آهن، ۽ هڪ نيم باقاعده صف ماسڪ کان سواءِ ٺهي سگهي ٿي. MY Shen ۽ ٻين سلڪون جي مٿاڇري سان 2 μm ٿلهي ٽرانسميشن اليڪٽران مائڪروسڪوپ ڪاپر ميش کي ماسڪ جي طور تي ڳنڍيو، ۽ پوءِ SF6 گئس ۾ سلڪون ويفر کي فيمٽو سيڪنڊ ليزر سان شعاع ڪيو. انهن سلڪون جي مٿاڇري تي مخروطي بناوتن جي هڪ تمام باقاعده ترتيب ڏنل صف حاصل ڪئي، جيڪا ماسڪ جي نموني سان مطابقت رکي ٿي (شڪل 4 ڏسو). ماسڪ جي ايپرچر سائيز مخروطي بناوتن جي ترتيب کي خاص طور تي متاثر ڪري ٿي. ماسڪ ايپرچرز پاران واقعي ليزر جو تفاوت سلڪون جي مٿاڇري تي ليزر توانائي جي غير يونيفارم ورڇ جو سبب بڻجندو آهي، جنهن جي نتيجي ۾ سلڪون جي مٿاڇري تي وقتي درجه حرارت جي ورڇ ٿيندي آهي. اهو آخرڪار سلڪون جي مٿاڇري جي جوڙجڪ صف کي باقاعده ٿيڻ تي مجبور ڪري ٿو.