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

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
Клетки спинного мозга восстановили внутри живого организма Клетки спинного мозга восстановили внутри живого организма

Ученые выяснили, что внутри организма можно направленно создавать нервные клетки

Популярная механика
Престо, модерато, адажио Престо, модерато, адажио

Фантастическая повесть Игоря Вереснева

Наука и жизнь
Отрывок из книги Сергея Шойгу «Про вчера» Отрывок из книги Сергея Шойгу «Про вчера»

Отрывок из книги министра обороны, посвященный строительству завода

СНОБ
9 мифов об Альберте Эйнштейне 9 мифов об Альберте Эйнштейне

Правда и мифы о создателе теории относительности

Вокруг света
Как правильно увольняться Как правильно увольняться

Как расстаться с опостылевшей работой максимально безболезненно

Maxim
8 тайных фантазий девушек, о которых они почти никогда не рассказывают 8 тайных фантазий девушек, о которых они почти никогда не рассказывают

Да — есть вещи, которые девушки... обычно не предлагают

Playboy
Бар Рафаэли, модель Бар Рафаэли, модель

Известная израильская модель, за внешностью которой скрываются повороты судьбы

Худеем правильно
Заповедники: «Умный дом» для природы Заповедники: «Умный дом» для природы

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

Наука и жизнь
Командир нашелся! Командир нашелся!

Что такое перевернутая иерархия в семье и почему она возникает

Лиза
Компьютерный мозг Компьютерный мозг

Как работают настоящие нейроморфные микросхемы

Популярная механика
Найдены следы галактики, поглощенной Млечным Путем Найдены следы галактики, поглощенной Млечным Путем

Как крупные галактики пожирают карликовых сородичей?

Популярная механика
Техпарад Техпарад

Новости мира науки и техники

Популярная механика
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
Падение Голиафа: каким будет финал Международной космической станции Падение Голиафа: каким будет финал Международной космической станции

Как убрать из космоса самый большой в истории космический аппарат?

Наука
«Я испытал полусмерть, потом кому, но худшее — это адские галлюцинации»: Навальный — о причинах отравления, стоимости лечения и галлюцинациях в интервью Дудю «Я испытал полусмерть, потом кому, но худшее — это адские галлюцинации»: Навальный — о причинах отравления, стоимости лечения и галлюцинациях в интервью Дудю

Самое главное из первого видеоинтервью Алексея Навального после комы

Forbes
На пиковых перекрёстках Гороховой улицы На пиковых перекрёстках Гороховой улицы

Магическое притяжение Гороховой улицы в Санкт-Петербурге

Наука и жизнь
Как сделать любой образ стильным — 7 простых приемов, которые ты легко освоишь Как сделать любой образ стильным — 7 простых приемов, которые ты легко освоишь

Как необычно обыграть повседневное сочетание?

Cosmopolitan
Распилить все поровну Распилить все поровну

Мадагаскар – одна из беднейших стран в мире

Вокруг света
Общемировая эпидемия стресса. Почему в моменты тревоги мозг не дает нам учиться — и что с этим делать Общемировая эпидемия стресса. Почему в моменты тревоги мозг не дает нам учиться — и что с этим делать

Как помочь своему мозгу настроиться на учебу?

Forbes
О науках естественных и не очень О науках естественных и не очень

Как выбраться из болота экономической неопределенности

Деньги
Германия Германия

Воспоминания о нации

kiozk originals
Медвежья постправда Медвежья постправда

Мультфильм Лоренцо Маттотти — актуальная недетская сказка для детей

Weekend
Оттеночная стоимость Оттеночная стоимость

Институту Pantone принадлежат все цвета и оттенки, которые вы когда-либо видели

GQ
Таяние льдов за 10 тысяч лет повысит среднюю температуру на планете на 0,43 градуса Цельсия Таяние льдов за 10 тысяч лет повысит среднюю температуру на планете на 0,43 градуса Цельсия

Через 10 тысяч лет Землю ждет дополнительное потепление на 0,43 градуса Цельсия

N+1
Как закончить токсичные отношения с деньгами: объясняет психолог из Гарварда Как закончить токсичные отношения с деньгами: объясняет психолог из Гарварда

К деньгам должен быть определенный подход

Playboy
Найден материал, сверхчувствительный к свету: техника будущего Найден материал, сверхчувствительный к свету: техника будущего

Ученые Университета ИТМО обнаружили сверхчувствительный к свету материал

Популярная механика
Выйти из тени: почему начинающие предприниматели выбирают режим самозанятости Выйти из тени: почему начинающие предприниматели выбирают режим самозанятости

Преимущества режима самозанятых перед ИП

Inc.
Как экс-миллиардер Гальчев стал одним из самых проблемных должников Сбербанка Как экс-миллиардер Гальчев стал одним из самых проблемных должников Сбербанка

Как мечта о создании глобального производителя цемента разбилась о три кризиса

Forbes
Код доступа Код доступа

Арт-группа Recycle превращает Dior Bag в искусство

Vogue
Открыть в приложении