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

Сокровища Урарту Сокровища Урарту

Четыре сокровища древнего Урарту

Вокруг света
10 изобретений, спасающих жизни: большая статья 10 изобретений, спасающих жизни: большая статья

Основные изобретения, спасающие жизни

Популярная механика
Виртуальный секс Виртуальный секс

«Популярная механика» протестировала первую в мире виртуальную любовницу

Популярная механика
Рецензия: «Суд над чикагской семеркой» Аарона Соркина как инъекция идеализма Рецензия: «Суд над чикагской семеркой» Аарона Соркина как инъекция идеализма

«Суд над чикагской семеркой» — самые цивилизованные предвыборные дебаты

Esquire
Art&Science Art&Science

Можно ли объединить науку и искусство

Популярная механика
7 самых необычных воинских частей в истории 7 самых необычных воинских частей в истории

Необычные военные: от здоровенных пруссаков до хранителей-искусствоведов

Популярная механика
Техпарад Техпарад

Новости мира науки и техники

Популярная механика
Перманентное состояние Перманентное состояние

Задаем профессионалам все главные вопросы про татуаж и микроблейдинг

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

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

Наука и жизнь
Мифы и легенды российского венчура: правда ли стартапам из России сложно привлекать международные инвестиции Мифы и легенды российского венчура: правда ли стартапам из России сложно привлекать международные инвестиции

Почему с российским венчуром все не так, как кажется

Forbes
Эти странные силы инерции Эти странные силы инерции

Силы инерции — очень необычны

Наука и жизнь
Как жить с «пограничником» Как жить с «пограничником»

Советы для людей, которые живут с людьми с пограничным расстройством личности

Psychologies
Новое чувство астрофизики Новое чувство астрофизики

Миссия LISA станет самым большим научным инструментом в истории человечества

Популярная механика
Что означают цветные лужицы под твоей машиной: гид по шести видам пятен Что означают цветные лужицы под твоей машиной: гид по шести видам пятен

Вглядываемся в машинные пятна вместе

Maxim
Дачное время Дачное время

Можно ли охватить несколькими предложениями дачный мир?

Наука и жизнь
Главные подкастеры страны Главные подкастеры страны

Как студия «Либо/Либо» зарабатывают на подкастах

Inc.
Стрельба втемную Стрельба втемную

Эта история российского стрелка Влада Лобаева началась с ролика на Youtube

Популярная механика
Алмазный венец Алмазный венец

Тиара – особенное украшение, настоящий символ статуса

Robb Report
Вирусы против людей: хроника вечной войны Вирусы против людей: хроника вечной войны

Афинская чума, черная смерть, испанка, СПИД и другие эпидемии человечества

Дилетант
В силу привычки В силу привычки

Для тех, кто давно вместе: вернуть яркие чувства и укрепить отношения

Добрые советы
Даурские каникулы Даурские каникулы

Истории о свободолюбивых диких котах и их скрытном образе жизни

Наука и жизнь
9 странных предметов, найденных внутри статуй 9 странных предметов, найденных внутри статуй

Когда-то статуи считались подходящим местом, чтобы спрятать внутри что-то ценное

Maxim
Победа союза над изоляцией Победа союза над изоляцией

О первой совместной коллекции Миуччи Прады и Рафа Симонса

Weekend
10 безумных попыток человечества управлять погодой 10 безумных попыток человечества управлять погодой

Метеорологи давно поняли, что природа непостижима и непредсказуема…

Maxim
10 необычных Renault 10 необычных Renault

10 наиболее необычных и занимательных автомобилей Renault

Популярная механика
Отрывок из книги Александра Кравцова «Найди ментора» Отрывок из книги Александра Кравцова «Найди ментора»

Для чего нужен ментор, где его найти и как выстроить правильное сотрудничество

СНОБ
«Чем меньше денег получает генеральный директор, тем лучше идут дела компании». Питер Тиль — об успехе, конкуренции и кризисе высшего образования «Чем меньше денег получает генеральный директор, тем лучше идут дела компании». Питер Тиль — об успехе, конкуренции и кризисе высшего образования

Основатель PayPal Питер Тиль о том, как начинать и строить бизнес

Inc.
Нобелевская премия по литературе: 7 спорных и скандальных лауреатов Нобелевская премия по литературе: 7 спорных и скандальных лауреатов

Самые неоднозначные лауреаты Нобелевской премии по литературе

РБК
Почему потребность в безопасности важнее потребности в любви Почему потребность в безопасности важнее потребности в любви

Почему безопасность так важна для нас — особенно в личных отношениях

Psychologies
От портупеи для шпаги до модного аксессуара: краткая история подтяжек в мужской моде От портупеи для шпаги до модного аксессуара: краткая история подтяжек в мужской моде

Подтяжки — исторически проверенный аксессуар

Esquire
Открыть в приложении