Нанопористый кремний — перспективный материал для микроэлектроники и биомедицины

Наука и жизньНаука

Кремний с нанопорами — материал с неисчерпаемыми возможностями

Доктор технических наук Георгий Савенков, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Диатомовые водоросли и их скелеты из окиси кремния. Сканирующая микроскопия. Фото из статьи: Nassif N., Livag J. From diatoms to silica-based biohybrids. Chemical Society Reviews, 2011, N 40. P. 849—859.

В последние два — два с половиной десятилетия учёные научились манипулировать материей в атомно-молекулярном масштабе. В результате удалось создать новые материалы и исследовать неизвестные ранее эффекты, появились нанонаука и нанотехнологии. Разработаны наноматериалы, физические и химические свойства которых радикально отличаются от их свойств в макромасштабе. Причём иногда новые материалы получают случайно. Один из них — нанопористый кремний, перспективный материал для микроэлектроники, биомедицины, ракетостроения и других приложений.

Пористый кремний (приставку «нано» он получил позже) случайно открыли супруги Артур и Ингеборг Улир (Uhlir), которые работали в Белл-лаборатории (Bell Labs, США) в середине 50-х годов XX века. Они разрабатывали метод электрохимической обработки кремниевых подложек для использования в микроэлектронике. В некоторых условиях кремниевая подложка стравливалась неравномерно, на ней появлялись маленькие отверстия — поры, распространявшиеся вдоль определённого кристаллографического направления. Любопытный результат Артур и Ингеборг Улир опубликовали в журнале «Bell Labs Technical Note» в 1956 году, но затем эта работа была благополучно забыта.

О нанопористом кремнии вспомнили в 1980-х годах, когда понадобился материал с большой площадью поверхности для спектроскопических исследований. Также его начали использовать в качестве диэлектрического слоя в ёмкостных химических сенсорах. Эти и другие возможные приложения нанопористого кремния вызвали огромное число исследований его свойств по всему миру. Постепенно в научной литературе прижился термин «пористый кремний». В настоящее время в зависимости от поперечного размера пор (d) пористый кремний по классификации Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) принято подразделять на макро- (d > 50 нм), мезо- (d от 2 до 50 нм) и микропористый кремний (d < 2 нм). Поскольку в любом случае размер его пор меньше 100 нм, здесь мы будем использовать термины «нанопористый» и «пористый», но предпочтение будет отдаваться первому.

Изображение поверхности нанопористого кремния, полученного электрохимическим травлением. Сканирующая микроскопия. Фото из статьи: Савенков Г. Г., Зегря А. Г., Зегря Г. Г. и др. Возможности энергонасыщенных композитов на основе нанопористого кремния (обзор и новые результаты) // Журнал технической физики. 2019. Т. 89. Вып. 3. С. 397—403.

От многооообразия способов рождения к многооообразию свойств

Нанопористый кремний обладает скелетной структурой, которая образуется в процессе анодного травления монокристаллического кремния (чаще всего, легированного бором или мышьяком) во фторидных электролитах. На поверхности раздела кристалл — электролит при этом образуются группы пятен электрохимической реакции, и они дают начало протяжённым ветвящимся каналам, порам, которые прорастают внутрь монокристалла. Причём размер и форма пор (цилиндрическая, разветвлённая, фасетная, фрактальная и другие), а также толщина перегородок между ними и пористость (то есть доля объёма, занятая порами) определяют свойства материала. Пористость может меняться от 5 до 95%, и, если она высока (≥ 70%), кремний приобретает уникальные свойства. Сами же размеры пор, их морфология и пористость материала в основном зависят от типа проводимости и уровня легирования исходного кремния, а также от состава электролита и плотности тока во время анодного травления. В меньшей степени эти параметры зависят от кристаллографической ориентации поверхности исходных кремниевых пластин.

Существует много способов получения нанопористого кремния. На момент написания статьи автору было известно 36, сейчас их может быть и больше. Условно их можно разделить на группы: травление (влажное или сухое, с катализаторами или без них), облучение, осаждение, а также термические, механические и химические методы. Но наиболее популярный и универсальный метод — упомянутое выше электрохимическое травление или анодирование, с его помощью удаётся создавать образцы с порами любых размеров. Самый красивый и оригинальный способ, пожалуй, — получение этого материала из диатомовых водорослей, а точнее, из их скелетов, состоящих из диоксида кремния. По сути, это готовые пористые структуры с интереснейшей морфологией пор. Неудивительно, что исследователи обратили на них внимание. Возможно, будет поставлена задача воспроизведения таких структур, но пока можно задуматься о том, где использовать пористые структуры, созданные природой.

Открытие, изменившее судьбу кремниевого наноматериала

Очередной всплеск интереса к пористому кремнию пришёлся на начало 1990-х, когда Ульрих Гёзеле (Ulrich Göesele), будучи профессором университета Дьюка (Duke University, USA), выявил квантово-размерные эффекты в спектре его поглощения, и одновременно Ли Кэнхэм (Leigh Canham) из британского Агентства по оборонным исследованиям (Defence Research Agency, England) обнаружил фотолюминесценцию пористого кремния в красно-оранжевой части спектра. Открытие эффекта излучения видимого света пористым кремнием вызвало поток работ, сосредоточенных на создании кремниевых оптоэлектронных переключателей, дисплеев и лазеров. Дело в том, что из-за ничтожно низкой (менее 0,001%) квантовой эффективности излучения монокристаллический кремний не годится для создания светоизлучающих устройств. После того, как Кэнхэм открыл у пористого кремния интенсивную фотолюминесценцию с квантовой эффективностью 5%, появилась возможность создания кремниевых приборов, излучающих свет в широком спектральном диапазоне. Оказалось, что цветом излучения (красный, зелёный и синий) нанопористого кремния можно управлять, изменяя условия анодирования, что важно для изготовления цветных дисплеев. И уже в начале 1990-х годов были созданы первые электролюминесцентные ячейки на основе нанопористого кремния, которые в многослойной структуре «прозрачный электрод —пористый кремний — монокристаллический кремний — металл» при протекании тока излучали свет.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Сторож Мардая Сторож Мардая

Этот секретный поселок в Монголии не нанесен на карты

Вокруг света
Как еда и физическая активность влияют на наш эмоциональный фон Как еда и физическая активность влияют на наш эмоциональный фон

Как мы можем управлять собственным настроением?

РБК
Эти странные силы инерции Эти странные силы инерции

Силы инерции — очень необычны

Наука и жизнь
«Старик с хорошим лицом». Как Шону Коннери удалось все — в кино и жизни «Старик с хорошим лицом». Как Шону Коннери удалось все — в кино и жизни

Творческий путь британского актера, остававшегося самим собой до конца

РБК
О чём тот дуб молчит красноречиво… О чём тот дуб молчит красноречиво…

Ириновский дуб — памятник живой природы

Наука и жизнь
Сколько стоит поднять на перехват истребитель в России Сколько стоит поднять на перехват истребитель в России

И что это, собственно, такое — перехват?

Maxim
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
Как перестать выживать в кризис и начать, наконец, жить Как перестать выживать в кризис и начать, наконец, жить

Как перестать сжиматься от тревоги в сложные времена?

Cosmopolitan
Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие

Двадцать разных способов мастурбации на любой вкус и цвет

Cosmopolitan
И на экране твой любимый герой… И на экране твой любимый герой…

История мистера Дарси из сериала «Гордость и предубеждение» 1995 года

Лиза
Заповедники: «Умный дом» для природы Заповедники: «Умный дом» для природы

Уйдут ли заповедники в прошлое или, наоборот, станут более востребованными?

Наука и жизнь
Коварный бодипозитив Коварный бодипозитив

Стараться быть лучше или принимать себя таким, какой ты есть?

Лиза
Техпарад Техпарад

Новости мира науки и техники

Популярная механика
Метод Монте-Карло подсказал пути оптимизации производства экологичного водорода Метод Монте-Карло подсказал пути оптимизации производства экологичного водорода

Вероятно, что уже к 2030 году солнечный водород будет доступнее

N+1
Васаби, японский хрен или китайская зелёная горчица Васаби, японский хрен или китайская зелёная горчица

Приправа, о которой многие слышали, но мало кто знает, что это такое

Наука и жизнь
«Забудем как страшный сон»: как Сбербанк три года превращался в «Сбер» «Забудем как страшный сон»: как Сбербанк три года превращался в «Сбер»

История процесса обновления бренда Сбербанка

Forbes
Мельницы богов Мельницы богов

Как технологии обработки персональных данных перевернули мир

Вокруг света
6 стереотипов о мужчинах и женщинах, подтвержденных наукой 6 стереотипов о мужчинах и женщинах, подтвержденных наукой

Не спорьте, когда в очередной раз услышите эти факты о мужчинах и женщинах

Популярная механика
Гёттинген на берегах Невы: Бесподобный учитель Пауль Эренфест Гёттинген на берегах Невы: Бесподобный учитель Пауль Эренфест

Кто такой Пауль Эренфест и что он сделал для физики?

Наука и жизнь
7 цветов в одежде, которые делают образ дороже и всегда актуальны 7 цветов в одежде, которые делают образ дороже и всегда актуальны

Чтобы собрать «дорогой» образ, необязательно тратить на одежду кучу денег

Cosmopolitan
Банка больше нет Банка больше нет

Сбербанк сменил имя, разошелся с «Яндексом» и не смог сойтись с Ozon

Forbes
4 заброшенные дворянские усадьбы Подмосковья, которые можно посетить 4 заброшенные дворянские усадьбы Подмосковья, которые можно посетить

Что смотреть в заброшенных имениях и зачем туда ехать

GQ
Отрывок из книги «Свои среди чужих. Политические эмигранты и Кремль» Отрывок из книги «Свои среди чужих. Политические эмигранты и Кремль»

Отрывок из книги Андрея Солдатова и Ирины Бороган об политических эмигрантах

СНОБ
Ученые испытали надежный сверхпроводящий кабель Ученые испытали надежный сверхпроводящий кабель

Новые границы использования сверхпроводящих кабелей

N+1
Бегство наследника Бегство наследника

Алексей Петрович так боялся отца, что в итоге сбежал за границу

Дилетант
Таруса Bien Sûr Таруса Bien Sûr

Дом, сад и хозяйка — это все как будто иллюстрации из книги об идеальной России

Seasons of life
Геймерские устройства: чем они реально отличаются от обычных Геймерские устройства: чем они реально отличаются от обычных

Есть ли действительно какая-то польза от игровых аксессуаров?

CHIP
Как растянуть джинсы в домашних условиях Как растянуть джинсы в домашних условиях

Что делать, если любимые джинсы стали малы или сели после стирки?

Cosmopolitan
Как выбрать жесткий диск для компьютера или ноутбука Как выбрать жесткий диск для компьютера или ноутбука

На какие характеристики обратить внимание, выбирая жесткий диск?

CHIP
«У сына 6 детей, а у меня ни одного внука»: письмо отчаявшейся бабушки «У сына 6 детей, а у меня ни одного внука»: письмо отчаявшейся бабушки

Психолог помогает героине разобраться в сложной семейной ситуации

Psychologies
Открыть в приложении