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

100 самых сексуальных женщин страны 100 самых сексуальных женщин страны

100 самых сексуальных женщин страны

Maxim
Достучались до небес Достучались до небес

Публикации «Огонька» об уничтожении уникального сорта пшеницы дали плоды

Огонёк
Поля морей Поля морей

Новые технологии сельского хозяйства: фермы в океане

Популярная механика
Пока огонь горит Пока огонь горит

Африка — колыбель человечества, а ЮАР — многонациональная и разнородная страны

Вокруг света
Заповедники: «Умный дом» для природы Заповедники: «Умный дом» для природы

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

Наука и жизнь
Girl Power! Girl Power!

Тренер Мария Соколова о простых и действенных способах создать фигуру мечты

OK!
«Солнечный» витамин «Солнечный» витамин

Нужно ли принимать витамин D для профилактики?

Наука и жизнь
«Мы прячем свои солнечные стороны» «Мы прячем свои солнечные стороны»

Стоит ли погружаться в бессознательное? Какие тайны оно скрывает?

Psychologies
Электрический аммиак Электрический аммиак

Растворённые в воде нитраты можно превращать в полезный аммиак

Наука и жизнь
Аномальное скопление звезд поставило астрономов в тупик Аномальное скопление звезд поставило астрономов в тупик

Скопление звезд, которое опровергает представления о том, как образуются светила

Популярная механика
…И другие уликовые документы …И другие уликовые документы

Чекисты раскрыли группу, которая распространяла антикоммунистические листовки

Дилетант
Жить сегодня Жить сегодня

Четверо известных детей и подростков рассказали, что для них значит жить сегодня

Домашний Очаг
Останемся френдами Останемся френдами

Как работают сервисы онлайн-знакомств и работают ли они вообще

Вокруг света
Голый землекоп: грызун, с необычной социальной структурой Голый землекоп: грызун, с необычной социальной структурой

В колониях голых землекопов есть только одна самка, которая приносит потомство

National Geographic
Крошка Ро Крошка Ро

Блогер Марьяна Ро выбралась в реальный мир без одежды

Maxim
Утепляемся! Утепляемся!

Что обязательно должно быть в доме, чтобы в нем было комфортно в холодный сезон

Лиза
Владимир Машков Владимир Машков

Суровый, честный мужской разговор с брутальным героем

Maxim
Комедия поколений Комедия поколений

Фильм «Хандра» — высказывание о новом поколении и мире кинематографа

Огонёк
Медвежья постправда Медвежья постправда

Мультфильм Лоренцо Маттотти — актуальная недетская сказка для детей

Weekend
Из столицы в столицу: где правил Иван Грозный Из столицы в столицу: где правил Иван Грозный

Автомобильный маршрут от Москвы до города Александрова — столицы Ивана Грозного

Популярная механика
Бангкванг — тюрьма с самыми худшими условиями в мире Бангкванг — тюрьма с самыми худшими условиями в мире

На Бангкванг постоянно обращают внимания организации по борьбе за права человека

Maxim
Фредрик Бакман: Тревожные люди Фредрик Бакман: Тревожные люди

Отрывок из новой книги Фредрика Бакмана о неудачном грабителе и его заложниках

СНОБ
ELLE Тренд ELLE Тренд

Диджей-дуэт Deux Dos — о своем кино, балете, России и о колесе сансары

Elle
Кельты: расцвет и падение Кельты: расцвет и падение

Какими были кельты, и что привело их к упадку?

National Geographic
«Опасная идея Дарвина: эволюция и смысл жизни» «Опасная идея Дарвина: эволюция и смысл жизни»

Отрывок из книги Тафтса Дэниела Деннета о новом взгляде на теорию Дарвина

N+1
Карикатура вместо притчи: каким получился четвертый сезон «Фарго» про войну итальянских и темнокожих гангстеров Карикатура вместо притчи: каким получился четвертый сезон «Фарго» про войну итальянских и темнокожих гангстеров

Рецензия на четвертый сезон сериала «Фарго»

Esquire
Союз однополых. Зачем Папа Римский поддержал «ЛГБТ-семьи» Союз однополых. Зачем Папа Римский поддержал «ЛГБТ-семьи»

Заявление Франциска в поддержку однополых союзов было неправильно переведено

СНОБ
Под Тихим океаном нашли затерянную тектоническую плиту Под Тихим океаном нашли затерянную тектоническую плиту

Возможно, это объясняет происхождение вулканов в северной части Тихого океана.

National Geographic
Здравствуйте, я ваша травма Здравствуйте, я ваша травма

Фильм «Конференция» как инструмент работы с коллективной памятью

Weekend
Сокровище семьи Фаберже Сокровище семьи Фаберже

Какие открытия готовит собрание документов и личных вещей знаменитого ювелира?

Огонёк
Открыть в приложении