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

Виртуальный секс Виртуальный секс

«Популярная механика» протестировала первую в мире виртуальную любовницу

Популярная механика
Зак Эфрон и другие актеры, чью карьеру едва не сгубили наркотики и алкоголь Зак Эфрон и другие актеры, чью карьеру едва не сгубили наркотики и алкоголь

Знаменитые актеры, которые смогли выбрать из зависимости

Cosmopolitan
Стереохимические фантазии Вант-Гоффа Стереохимические фантазии Вант-Гоффа

Ученые, которые первыми дали верное объяснение оптической изомерии

Наука и жизнь
Оставаться на Земле: чему менеджеры могут научиться у космонавтов Оставаться на Земле: чему менеджеры могут научиться у космонавтов

Какие ценные уроки для карьеры менеджера можно привезти из космоса

Forbes
Био-механизм Био-механизм

Пауки, пожалуй, самые высокотехнологичные существа на планете

Вокруг света
Самые известные Лизы XXI века Самые известные Лизы XXI века

К 25-летию журнала «Лиза» вспоминает известных современниц, носящих это имя

Лиза
За кулисами пуска За кулисами пуска

Старт космической ракеты – зрелище без преувеличения грандиозное

Популярная механика
Шпион, который всех покорил: ушел из жизни сэр Шон Коннери Шпион, который всех покорил: ушел из жизни сэр Шон Коннери

Сэр Шон Коннери навсегда останется в памяти настоящим английским аристократом

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

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

Наука и жизнь
Игорь Дуардович: Поэзия как этап взросления. Можно ли вырасти из стихов, как из пеленок, игрушек и субкультур Игорь Дуардович: Поэзия как этап взросления. Можно ли вырасти из стихов, как из пеленок, игрушек и субкультур

Почему, говоря о поэзии, мы так или иначе затрагиваем тему возраста?

СНОБ
20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели 20 вещей, которые могут тебе пригодиться в постели

Объекты и явления, при помощи которых твой секс будет еще великолепнее

Maxim
Бизнесмены назвали 6 ошибок, которые никогда не совершают успешные люди Бизнесмены назвали 6 ошибок, которые никогда не совершают успешные люди

Учась на чужих провалах, можно добиться по-настоящему больших успехов

Playboy
Техпарад Техпарад

Новости мира науки и техники

Популярная механика
Валя Карнавал Валя Карнавал

Тиктокерша Валя Карнавал о том, чего никогда не будет в ее видосах

ЖАРА Magazine
Верные слуги короля Верные слуги короля

С XVII века королевские мушкетёры стали привилегированными войсками

Дилетант
Нобелевскую премию по химии присудили за метод редактирования генома Нобелевскую премию по химии присудили за метод редактирования генома

Лауреатами Нобелевской премии по химии 2020 года стали две женщины

N+1
Распилить все поровну Распилить все поровну

Мадагаскар – одна из беднейших стран в мире

Вокруг света
Рошин Мерфи Рошин Мерфи

Певица, 47 лет, Арклоу, Ирландия

Esquire
Меняю автомат на беспилотник Меняю автомат на беспилотник

Первое боестолкновение, где решающую роль сыграли беспилотные дроны

Популярная механика
Как простой студент совершил переворот в спорте и научил весь мир прыгать в высоту Как простой студент совершил переворот в спорте и научил весь мир прыгать в высоту

История изобретателя революционной техники прыжка

Maxim
Ну ты и дятел! Ну ты и дятел!

Невероятным достоинствам дятлов можно позавидовать

Вокруг света
Играть с рождения! Играть с рождения!

Главный вопрос: во что играть с ребенком с самых ранних месяцев?

Домашний Очаг
Порно и смешно Порно и смешно

Василий Степанов о фильме «Глубже!» как энциклопедии русской жизни

Weekend
10 фильмов о людях, которые очень хотят куда-то уехать, но не могут 10 фильмов о людях, которые очень хотят куда-то уехать, но не могут

Никого не напоминает?

GQ
Путешествие на выходные: что посмотреть в Калининграде и рядом с ним Путешествие на выходные: что посмотреть в Калининграде и рядом с ним

Главные локации, наверное, самого европейского города России

Esquire
Может ли минеральная вода навредить зубам: мнение эксперта Может ли минеральная вода навредить зубам: мнение эксперта

В медиа все чаще появляются публикации о том, что минералка вредит зубам

Psychologies
Алоэ для мужчин: полезные свойства и мифы, в которые не стоит верить Алоэ для мужчин: полезные свойства и мифы, в которые не стоит верить

Преимущества растения алоэ вера для здоровья мужчин и способы его применения

Playboy
Что будет, если вы случайно уничтожите бесценный артефакт в музее Что будет, если вы случайно уничтожите бесценный артефакт в музее

Что ждет неуклюжих любителей искусства и вандалов в музеях?

Популярная механика
Ледяные вершины Плутона образовались из-за высотной разницы в количестве метана Ледяные вершины Плутона образовались из-за высотной разницы в количестве метана

Механизм образования ледников на Плутоне в корне отличен от земного

N+1
Как обустроить домашний кабинет. Советы дизайнеров Как обустроить домашний кабинет. Советы дизайнеров

Дизайнеры рассказали, на что следует обращать внимание, обустраивая офис в доме

РБК
Открыть в приложении