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

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
«Вольная вода. Истории борьбы за свободу на Дону» «Вольная вода. Истории борьбы за свободу на Дону»

Отрывок из книги Амирана Урушадзе об истории борьбы за свободу донских казаков

N+1
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
Маленькие помощники следователя: насекомые в судебной экспертизе Маленькие помощники следователя: насекомые в судебной экспертизе

По насекомым, найденным на трупе, можно определить многие подробности смерти

Популярная механика
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
За что нас не любят и почему это не наши проблемы За что нас не любят и почему это не наши проблемы

Узнавать, что кому-то не нравишься, всегда неприятно

Psychologies
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

Как понять, кого нужно избегать? Да и нужно ли на самом деле?

Psychologies
Абонент недоступен Абонент недоступен

Очаровательная блондинка флиртовала со Стингом и Ричардом Гиром, не существуя

Esquire
Электрический аммиак Электрический аммиак

Растворённые в воде нитраты можно превращать в полезный аммиак

Наука и жизнь
Физики запретили звуку распространяться со скоростью более 36 км/c Физики запретили звуку распространяться со скоростью более 36 км/c

Быстрее всего звук может распространяться в металлическом водороде

N+1
Груз платформы Груз платформы

Павел Дуров: бизнесмен, который бросил вызов мировому господству доллара

Forbes
От белья холостяков до культовой базы: краткая история белой футболки в мужском гардеробе От белья холостяков до культовой базы: краткая история белой футболки в мужском гардеробе

Белая футболка — самый универсальный предмет одежды

Esquire
Чёрный передел: версия 1939 года Чёрный передел: версия 1939 года

Секретный протокол к Пакту о ненападении

Дилетант
Бетховен умер. Часть I Бетховен умер. Часть I

Cудьба наследия Бетховена в современном мире

Школа Masters
Микроскопические свидетельства глобальных катастроф Микроскопические свидетельства глобальных катастроф

Кандидат физико-математических наук о том, как метеориты влияют на нашу судьбу

Наука и жизнь
С Востока на Запад: Джеки Чан, Джет Ли и другие азиаты, покорившие Голливуд С Востока на Запад: Джеки Чан, Джет Ли и другие азиаты, покорившие Голливуд

Вспоминаем самые громкие азиатские имена в голливудском кино

Cosmopolitan
Сесть и подумать Сесть и подумать

Зачем менеджеру заниматься рефлексией

Forbes
5 причин, почему ученые до сих пор считают, что мы не одиноки во Вселенной 5 причин, почему ученые до сих пор считают, что мы не одиноки во Вселенной

Какая вероятность встретить инопланетян прямо сегодня?

Maxim
«Слишком много и всегда недостаточно»: фрагмент скандальных мемуаров племянницы Трампа «Слишком много и всегда недостаточно»: фрагмент скандальных мемуаров племянницы Трампа

Отрывок из мемуаров Мэри Трамп «Слишком много и всегда недостаточно»

Esquire
У млекопитающих обнаружили гены регенерации глаз У млекопитающих обнаружили гены регенерации глаз

Раньше этот ген регенерации встречался только у рыб

National Geographic
За 50 тыс. я могу с тобой посидеть За 50 тыс. я могу с тобой посидеть

О своей работе рассказывает звездный пиарщик Антон Богославский

ЖАРА Magazine
Эффективна ли скандинавская ходьба? Эффективна ли скандинавская ходьба?

В каком случае стоит заниматься скандинавской ходьбой?

Reminder
Каждому по маске Каждому по маске

Всего за пару лет тканевая маска стала бестселлером бьюти-рынка

Здоровье
От Волги до Енисея: как раскрыть кинематографичность российских регионов От Волги до Енисея: как раскрыть кинематографичность российских регионов

Как привлечь в российскую глубинку отечественные и зарубежные съемочные группы

Forbes
Мозг новорожденных оказался эмоционально неспецифичным Мозг новорожденных оказался эмоционально неспецифичным

Миндалевидное тело при рождении хуже связано с отделами обработки информации

N+1
Как создать международные деньги нового качества Как создать международные деньги нового качества

Евразийским странам стоит подумать о своей наднациональной валюте

Эксперт
Сила растений Сила растений

Что такое фитотерапия

Yoga Journal
Периоды детского развития: от 1 года до 3 лет Периоды детского развития: от 1 года до 3 лет

Что происходит с ребенком в возрасте от года до трех и как себя вести родителям

Psychologies
10 киноляпов, которые пошли фильмам на пользу 10 киноляпов, которые пошли фильмам на пользу

Ошибка во благо — известный феномен. В музыке случается часто, в кино — реже

Maxim
Когда женщины стали учиться в российских университетах наравне с мужчинами? Когда женщины стали учиться в российских университетах наравне с мужчинами?

Когда в России высшее образование стало доступно женщинам

Культура.РФ
Открыть в приложении