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

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

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

Наука и жизнь
Зачем Иван И. Твердовский снял фильм о теракте на Дубровке Зачем Иван И. Твердовский снял фильм о теракте на Дубровке

Иван И. Твердовский: почему нам действительно нужен фильм «Конференция»

GQ
Сокровища Урарту Сокровища Урарту

Четыре сокровища древнего Урарту

Вокруг света
Как почистить реестр на компьютере? Как почистить реестр на компьютере?

Чистка реестра может помочь увеличить быстродействие системы

CHIP
Новое чувство астрофизики Новое чувство астрофизики

Миссия LISA станет самым большим научным инструментом в истории человечества

Популярная механика
Полное непонимание рынка: почему «революционный» стриминг Quibi закрылся через полгода после запуска Полное непонимание рынка: почему «революционный» стриминг Quibi закрылся через полгода после запуска

$1,75 млрд инвестиций не спасли онлайн-кинотеатр Quibi

VC.RU
Техпарад Техпарад

Новости мира науки и техники

Популярная механика
«Почему человек вынужден идти на преступление, пытаясь обезболить одну маленькую девочку?». Интервью с режиссером фильма «Доктор Лиза» «Почему человек вынужден идти на преступление, пытаясь обезболить одну маленькую девочку?». Интервью с режиссером фильма «Доктор Лиза»

Режиссер Оксана Карас о женщинах и сексизме в русском кино

Forbes
Неизвестный минерал из вулкана Толбачик Неизвестный минерал из вулкана Толбачик

Сотрудники СПбГУ обнаружили новый минерал на территории вокруг вулкана Толбачик

Наука и жизнь
Ближайшей к Земле черной дыры на самом деле не существует Ближайшей к Земле черной дыры на самом деле не существует

Что за загадочный объект HR 6819?

Популярная механика
Техпарад Техпарад

Новости мира науки и техники

Популярная механика
Стыдное удовольствие: как резиновые клоги уз «уродливых» становятся модными Стыдное удовольствие: как резиновые клоги уз «уродливых» становятся модными

Как неказистые клоги перешли из категории ugly shoes в разряд модных

Esquire
Эти странные силы инерции Эти странные силы инерции

Силы инерции — очень необычны

Наука и жизнь
Непереводимость дистанции Непереводимость дистанции

Игорь Гулин о поэзии Луизы Глик

Weekend
Священный верблюд инков Священный верблюд инков

Ламы и их родственники снабжают жителей Перу едой, одеждой и транспортом

Вокруг света
Краткая, но поучительная история кампучийских красных кхмеров Краткая, но поучительная история кампучийских красных кхмеров

За четыре года правления Пол Пот истребил каждого седьмого камбоджийца

Maxim
Растущий на обочине Растущий на обочине

Да, пожалуй, ни одну из дорог невозможно представить без этого растения

Наука и жизнь
В защиту объективности критики: Колонка Алексея Гусева В защиту объективности критики: Колонка Алексея Гусева

Возможно, время ангажированности прошло?

Школа Masters
Распилить все поровну Распилить все поровну

Мадагаскар – одна из беднейших стран в мире

Вокруг света
«Культ Ким Мандок». Как сирота смогла накормить остров для ссыльных и основать торговую компанию в Корее «Культ Ким Мандок». Как сирота смогла накормить остров для ссыльных и основать торговую компанию в Корее

Ким Мандок прошла непростой путь, став самой богатой женщиной периода Чосон

Forbes
Устроиться в «Газпром» престижнее, чем в стартап Устроиться в «Газпром» престижнее, чем в стартап

Леонид Богуславский — об инновационном бизнесе в России

РБК
Советы дальнобойфренду: 9 правил отношений на расстоянии Советы дальнобойфренду: 9 правил отношений на расстоянии

Статья о том, как сохранить и даже улучшить отношения, соблюдая дистанцию

Maxim
Глеб Глинка — о посвященном жене кино и таланте доктора Лизы помогать Глеб Глинка — о посвященном жене кино и таланте доктора Лизы помогать

Интервью с мужем Елизаветы Глинки: о жене, фильме о ней и благотворительности

РБК
«Сердце из стекла» — автобиография легендарной солистки группы Blondie Дебби Харри. Публикуем ее фрагмент «Сердце из стекла» — автобиография легендарной солистки группы Blondie Дебби Харри. Публикуем ее фрагмент

Отрывок из автобиографии Дебби Харри, в котором она узнает о смерти Уорхола

Esquire
Большая авантюра Большая авантюра

О своей профессии рассказывает Ева Габулова, режиссер звездных шоу

ЖАРА Magazine
Приватный арсенал Приватный арсенал

Из чего состоит оружейная коллекция миллиардера Игоря Алтушкина

Forbes
DirectX: что это такое и откуда качать? DirectX: что это такое и откуда качать?

Если вы устанавливаете игру, а она требует еще и DirectX - это нормально

CHIP
Кто и зачем снимает короткометражное кино Кто и зачем снимает короткометражное кино

Что происходит с последним — короткометражным кино

СНОБ
Какие бывают бани и как они устроены Какие бывают бани и как они устроены

Русская баня, финская сауна, хамам и другие виды парных

Популярная механика
7 признаков легких отношений 7 признаков легких отношений

Отношения — это работа. Нужно искать компромисс, само собой ничего не получится

Psychologies
Открыть в приложении