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

Электрический аммиак Электрический аммиак

Растворённые в воде нитраты можно превращать в полезный аммиак

Наука и жизнь
Максим Лапшин: Как видеонаблюдение помогает и мешает горожанам Максим Лапшин: Как видеонаблюдение помогает и мешает горожанам

Что такое умный город и зачем ему видеокамеры?

СНОБ
От чего умер Ленин? От чего умер Ленин?

На момент смерти Ленину было всего 53 года. На здоровье он никогда не жаловался

Дилетант
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
100 самых сексуальных женщин страны: 100-53 100 самых сексуальных женщин страны: 100-53

Итоговый рейтинг «100 самых сексуальных женщин страны – 2019»

Maxim
Hi-tech и футбол: четыре лучших российских стадиона Hi-tech и футбол: четыре лучших российских стадиона

Каждый из крупных российских стадионов — чудо инженерной и архитектурной мысли

Популярная механика
Компьютерный мозг Компьютерный мозг

Как работают настоящие нейроморфные микросхемы

Популярная механика
Варвара Шмыкова — об экоотношении к себе и кастингах через Instagram Варвара Шмыкова — об экоотношении к себе и кастингах через Instagram

Актриса Варвара Шмыкова о борьбе с хейтом и искренности

РБК
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
Пациенты новой ориентации Пациенты новой ориентации

Объемы предоставления платных медуслуг в России снижаются

РБК
За кулисами пуска За кулисами пуска

Старт космической ракеты – зрелище без преувеличения грандиозное

Популярная механика
#ГЕОРГИЙЗАКАДРОМ #ГЕОРГИЙЗАКАДРОМ

О своей работе со знаменитостями рассказывает звездный фотограф Георгий Кардава

ЖАРА Magazine
Техпарад Техпарад

Новости мира науки и техники

Популярная механика
Что такое UHD, 4K, HDR и нужно ли их срочно покупать Что такое UHD, 4K, HDR и нужно ли их срочно покупать

Технологии на службе людей с дальнозоркостью

Maxim
Булат Окуджава Булат Окуджава

Каждый год 9 мая на Трубной площади стартует фестиваль памяти Булата Окуджавы

Дилетант
4 российских бренда, которые делают крутые худи 4 российских бренда, которые делают крутые худи

Выбирайте, что вам ближе: стритвир, минимализм или детские рисунки

GQ
Загадки исчезнувшей цивилизации Загадки исчезнувшей цивилизации

800 лет назад на месте современного Татарстана располагалась Волжская Булгария

Дилетант
Внутренние резервы: как зародилась и менялась остеопатия в России и мире Внутренние резервы: как зародилась и менялась остеопатия в России и мире

Все слышали об остеопатии, но не все понимают, чем занимаются эти специалисты

Forbes
Лучше, чем жизнь Лучше, чем жизнь

Традиционно самыми ресурсоемкими считались спецэффекты для кино

Популярная механика
Золотой щит: почему растет спрос на металлические счета в банках Золотой щит: почему растет спрос на металлические счета в банках

Почему металлические счета — не самый выгодный инвестиционный инструмент

Forbes
Невероятно, но... мясо Невероятно, но... мясо

Имитации мясных продуктов из растений и клеточных культур становятся модными

Популярная механика
Двойное проникновение труда и капитала Двойное проникновение труда и капитала

Английском вариант истории порноиндустрии в мини-сериале «Трудовые будни»

Weekend
«Нельзя бухать, надо спать и заниматься спортом. Что тут гениального?»: российские предприниматели о советах Павла Дурова «Нельзя бухать, надо спать и заниматься спортом. Что тут гениального?»: российские предприниматели о советах Павла Дурова

Что российские предприниматели думают о принципах жизни Павла Дурова

Forbes
15 мыслей Вахтанга Кикабидзе 15 мыслей Вахтанга Кикабидзе

Вахтанг Кикабидзе — о том, зачем продолжает выступать

GQ
Немного прозрачности не повредит: зачем компании раскрывают количество запросов от властей Немного прозрачности не повредит: зачем компании раскрывают количество запросов от властей

Почему другим российским интернет-компаниям надо брать пример с «Яндекса»

Forbes
Оборотистый «капитал» Оборотистый «капитал»

Capital Group заняла первое место в рейтинге девелоперов элитного жилья Forbes

Forbes
Четыре человека, которые дважды получили Нобелевскую премию Четыре человека, которые дважды получили Нобелевскую премию

Они могли занимать деньги у друзей, обещая отдать долг с ближайшей премии!

Maxim
В свете полной луны… В свете полной луны…

...происходят странные вещи с поведением животных

Вокруг света
Общение с человеком расслабило коров Общение с человеком расслабило коров

Поглаживания, сопровождаемые спокойным голосом, хорошо расслабляют коров

N+1
Hummer: только самые интересные факты о крутом военном джипе Hummer: только самые интересные факты о крутом военном джипе

Раньше Хаммер играл настоящими мышцами без грамма пластика

Популярная механика
Открыть в приложении