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

Форматы книг в зеркале живописи Форматы книг в зеркале живописи

Какие книги читали в разные времена представители разных сословий

Наука и жизнь
Сюжетные дыры и вопиющие ляпы всех-всех фильмов DC Comics Сюжетные дыры и вопиющие ляпы всех-всех фильмов DC Comics

Какие ошибки допустили создатели фильмов расширенной вселенной DC?

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

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

Наука и жизнь
Бактерии помогли получить катализатор для электролиза воды Бактерии помогли получить катализатор для электролиза воды

Химики получили электроды для электролиза воды с помощью бактерий

N+1
Будущее пятого поколения Будущее пятого поколения

Время 4G на исходе. 5G серьезно изменит нашу жизнь

Популярная механика
Вся правда о родительстве в смешных твитах Вся правда о родительстве в смешных твитах

Что помогает мамам и папам справляться со всеми тяготами родительства?

Psychologies
Верхом на вихре Верхом на вихре

Возможное будущее гражданской авиации

Популярная механика
Поздновато начинаете Поздновато начинаете

Жизнь после 40 только начинается: актеры, которые начали свою карьеру к 40 годам

Лиза
Новое чувство астрофизики Новое чувство астрофизики

Миссия LISA станет самым большим научным инструментом в истории человечества

Популярная механика
6 правил питания, которым пора перестать следовать: рассказывают диетологи 6 правил питания, которым пора перестать следовать: рассказывают диетологи

Пищевые привычки, которые не совсем обоснованы

Playboy
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
Занятия музыкой улучшили память и внимательность детей Занятия музыкой улучшили память и внимательность детей

Нейробиологи доказали,что музыкально натренированный мозг более активен

N+1
Техпарад Техпарад

Новости мира науки и техники

Популярная механика
Оборотень в хиджабе Оборотень в хиджабе

«Наркомама», в которой Изабель Юппер реабилитирует французский нуар

Weekend
Время девы. Весеннее небо Время девы. Весеннее небо

Весна — лучшее время для наблюдения созвездия Девы

Наука и жизнь
Агент-провокатор Агент-провокатор

Почему все, что делает Morgenshtern, — это не просто рэп, а целое явление

Glamour
Ненужная, но вездесущая ртуть Ненужная, но вездесущая ртуть

Употреблять щуку в пищу, оказывается, может быть небезопасно

Наука и жизнь
Ручная работа Ручная работа

Эти упражнения помогут тебе подтянуть мышцы рук

Лиза
Иго: тирания или эффективный менеджмент? Иго: тирания или эффективный менеджмент?

Некоторые исследователи считали иго, несмотря на ужасы, прогрессивным явлением

Дилетант
Образ Турции в русском искусстве Образ Турции в русском искусстве

Обычаи и традиции бывшего Османского государства

Культура.РФ
Банка больше нет Банка больше нет

Сбербанк сменил имя, разошелся с «Яндексом» и не смог сойтись с Ozon

Forbes
Рак молочной железы: что нужно знать, чтобы не бояться Рак молочной железы: что нужно знать, чтобы не бояться

Рак молочной железы – одно из самых распространенных онкологических заболеваний

Cosmopolitan
NASA оплатит разработку подпрыгивающего аппарата и сетей 4G для Луны NASA оплатит разработку подпрыгивающего аппарата и сетей 4G для Луны

Финансирование получили SpaceX, Nokia, Sierra Nevada, Blue Origin и другие

N+1
Никита Кучеров: «В момент, когда поднимаешь кубок, кажется, что ты без сознания» Никита Кучеров: «В момент, когда поднимаешь кубок, кажется, что ты без сознания»

Интервью с обладателем Кубка Стэнли Никитой Кучеровым

GQ
Пациенты новой ориентации Пациенты новой ориентации

Объемы предоставления платных медуслуг в России снижаются

РБК
Идеальная пятёрка для домашнего тренинга Идеальная пятёрка для домашнего тренинга

Топ-5 предметов, которые помогут поддерживать форму дома

Худеем правильно
«Положительные эмоции клиента — самое ценное в премиальном сегменте» «Положительные эмоции клиента — самое ценное в премиальном сегменте»

Какие банковские продукты и решения предпочитают премиальные клиенты банков?

РБК
Таяние ледников Аляски может изменить течения в Тихом океане Таяние ледников Аляски может изменить течения в Тихом океане

Изменение течений Тихого океана приведет к катастрофическому изменению климата

Популярная механика
Поэт, байкер и еще 8 любопытных фактов из жизни Киану Ривза Поэт, байкер и еще 8 любопытных фактов из жизни Киану Ривза

Сегодня практически не найти киноманов, которые не знают, кто такой Киану Ривз

Cosmopolitan
Дышите глубже Дышите глубже

Дыхательные упражнения для тех, кто переболел или хочет укрепить здоровье

Лиза
Открыть в приложении