ஒரு புரட்சிகரமான புதிய பொருள் – கருப்பு சிலிக்கான்
கருப்பு சிலிக்கான் என்பது சிறந்த ஒளியியல்-மின்னணுப் பண்புகளைக் கொண்ட ஒரு புதிய வகை சிலிக்கான் பொருளாகும். இந்தக் கட்டுரை, சமீபத்திய ஆண்டுகளில் எரிக் மசூர் மற்றும் பிற ஆராய்ச்சியாளர்களால் கருப்பு சிலிக்கான் மீது மேற்கொள்ளப்பட்ட ஆராய்ச்சிப் பணிகளைச் சுருக்கமாகக் கூறுகிறது. இது கருப்பு சிலிக்கானின் தயாரிப்பு மற்றும் உருவாக்க வழிமுறை, அத்துடன் உறிஞ்சுதல், ஒளிர்வு, புல உமிழ்வு மற்றும் நிறமாலைத் துலங்கல் போன்ற அதன் பண்புகளையும் விவரிக்கிறது. மேலும், அகச்சிவப்புக் கண்டறிவான்கள், சூரிய மின்கலங்கள் மற்றும் தட்டையான திரைக்காட்சிகளில் கருப்பு சிலிக்கானின் முக்கியமான சாத்தியமான பயன்பாடுகளையும் இது சுட்டிக்காட்டுகிறது.
படிக சிலிக்கான், எளிதில் தூய்மைப்படுத்துதல், எளிதில் கலப்படம் செய்தல் மற்றும் உயர் வெப்பநிலை எதிர்ப்பு போன்ற அதன் நன்மைகள் காரணமாக குறைக்கடத்தித் துறையில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது. இருப்பினும், அதன் மேற்பரப்பில் கண்ணுக்குப் புலப்படும் மற்றும் அகச்சிவப்பு ஒளியின் அதிக பிரதிபலிப்பு போன்ற பல குறைபாடுகளையும் இது கொண்டுள்ளது. மேலும், அதன் பெரிய பட்டை இடைவெளி காரணமாக,படிக சிலிக்கான்1100 நானோமீட்டருக்கும் அதிகமான அலைநீளங்களைக் கொண்ட ஒளியை உறிஞ்ச முடியாது. படுகின்ற ஒளியின் அலைநீளம் 1100 நானோமீட்டருக்கும் அதிகமாக இருக்கும்போது, சிலிக்கான் உணரிகளின் உறிஞ்சும் மற்றும் பதிலளிக்கும் விகிதம் பெருமளவில் குறைகிறது. இந்த அலைநீளங்களைக் கண்டறிய ஜெர்மானியம் மற்றும் இண்டியம் காலியம் ஆர்சனைடு போன்ற பிற பொருட்களைப் பயன்படுத்த வேண்டும். இருப்பினும், அவற்றின் அதிக விலை, மோசமான வெப்ப இயக்கவியல் பண்புகள் மற்றும் படிகத் தரம், மற்றும் தற்போதுள்ள முதிர்ந்த சிலிக்கான் செயல்முறைகளுடன் பொருந்தாமை ஆகியவை சிலிக்கான் அடிப்படையிலான சாதனங்களில் அவற்றின் பயன்பாட்டைக் கட்டுப்படுத்துகின்றன. எனவே, படிக சிலிக்கான் பரப்புகளின் எதிரொளிப்பைக் குறைப்பதும், சிலிக்கான் அடிப்படையிலான மற்றும் சிலிக்கானுடன் இணக்கமான ஒளி உணரிகளின் கண்டறியும் அலைநீள வரம்பை விரிவுபடுத்துவதும் ஒரு முக்கிய ஆராய்ச்சித் தலைப்பாக உள்ளது.
படிக சிலிக்கான் மேற்பரப்புகளின் பிரதிபலிப்பைக் குறைப்பதற்காக, ஒளிக்கல்லச்சு, வினைபுரியும் அயனி அரித்தல் மற்றும் மின்வேதியியல் அரித்தல் போன்ற பல சோதனை முறைகளும் நுட்பங்களும் பயன்படுத்தப்பட்டுள்ளன. இந்த நுட்பங்கள், படிக சிலிக்கானின் மேற்பரப்பு மற்றும் மேற்பரப்பிற்கு அருகிலுள்ள உருவமைப்பை ஓரளவிற்கு மாற்றி, அதன் மூலம் பிரதிபலிப்பைக் குறைக்கின்றன.சிலிக்கான் மேற்பரப்புப் பிரதிபலிப்பு. கண்ணுக்குப் புலப்படும் ஒளி வரம்பில், பிரதிபலிப்பைக் குறைப்பது உறிஞ்சுதலை அதிகரித்து, சாதனத்தின் செயல்திறனை மேம்படுத்தும். இருப்பினும், 1100 நானோமீட்டருக்கு (nm) அதிகமான அலைநீளங்களில், சிலிக்கான் பட்டை இடைவெளியில் (band gap) எந்த உறிஞ்சும் ஆற்றல் நிலைகளும் அறிமுகப்படுத்தப்படாவிட்டால், குறைக்கப்பட்ட பிரதிபலிப்பு அதிகரித்த கடத்தலுக்கு மட்டுமே வழிவகுக்கும். ஏனெனில், சிலிக்கானின் பட்டை இடைவெளி இறுதியில் நீண்ட அலைநீள ஒளியை அது உறிஞ்சுவதைக் கட்டுப்படுத்துகிறது. எனவே, சிலிக்கான் அடிப்படையிலான மற்றும் சிலிக்கானுடன் இணக்கமான சாதனங்களின் உணர்திறன் அலைநீள வரம்பை விரிவுபடுத்த, சிலிக்கான் மேற்பரப்புப் பிரதிபலிப்பைக் குறைக்கும் அதே வேளையில், பட்டை இடைவெளிக்குள் ஃபோட்டான் உறிஞ்சுதலை அதிகரிப்பது அவசியமாகும்.
1990-களின் பிற்பகுதியில், ஹார்வர்ட் பல்கலைக்கழகத்தைச் சேர்ந்த பேராசிரியர் எரிக் மசூர் மற்றும் பிறர், படம் 1-இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, ஃபெம்டோசெகண்ட் லேசர்கள் பருப்பொருளுடன் கொள்ளும் இடைவினைகள் குறித்த தங்கள் ஆராய்ச்சியின் போது, கருப்பு சிலிக்கான் என்ற ஒரு புதிய பொருளைப் பெற்றனர். கருப்பு சிலிக்கானின் ஒளிமின்னியல் பண்புகளை ஆய்வு செய்துகொண்டிருந்தபோது, இந்த நுண்கட்டமைப்பு சிலிக்கான் பொருள் தனித்துவமான ஒளிமின்னியல் பண்புகளைக் கொண்டிருப்பதைக் கண்டு எரிக் மசூரும் அவரது சகாக்களும் ஆச்சரியமடைந்தனர். இது புற ஊதா மற்றும் அகச்சிவப்புக்கு அருகிலுள்ள வரம்பில் (0.25–2.5 μm) உள்ள ஏறக்குறைய அனைத்து ஒளியையும் உறிஞ்சி, சிறந்த புலப்படும் மற்றும் அகச்சிவப்புக்கு அருகிலுள்ள ஒளிர்வுப் பண்புகளையும் நல்ல புல உமிழ்வுப் பண்புகளையும் வெளிப்படுத்துகிறது. இந்தக் கண்டுபிடிப்பு குறைக்கடத்தித் துறையில் ஒரு பெரும் பரபரப்பை ஏற்படுத்தியது, மேலும் முக்கிய இதழ்கள் இதைப் பற்றி செய்தி வெளியிடப் போட்டியிட்டன. 1999-இல் சயின்டிஃபிக் அமெரிக்கன் மற்றும் டிஸ்கவர் இதழ்கள், 2000-இல் லாஸ் ஏஞ்சல்ஸ் டைம்ஸின் அறிவியல் பிரிவு, மற்றும் 2001-இல் நியூ சயின்டிஸ்ட் இதழ் ஆகிய அனைத்தும், தொலை உணர்தல், ஒளியியல் தகவல் தொடர்பு மற்றும் நுண்மின்னணுவியல் போன்ற துறைகளில் இது குறிப்பிடத்தக்க மதிப்பைக் கொண்டிருக்கும் என்று நம்பி, கருப்பு சிலிக்கானின் கண்டுபிடிப்பு மற்றும் அதன் சாத்தியமான பயன்பாடுகளைப் பற்றி விவாதிக்கும் சிறப்புக் கட்டுரைகளை வெளியிட்டன.
தற்போது, பிரான்சைச் சேர்ந்த டி. சமேட், அயர்லாந்தைச் சேர்ந்த அனோஃப் எம். மோலோனி, சீனாவின் ஃபுடான் பல்கலைக்கழகத்தைச் சேர்ந்த ஜாவோ லி மற்றும் சீன அறிவியல் கழகத்தைச் சேர்ந்த மென் ஹைனிங் ஆகியோர் அனைவரும் கருப்பு சிலிக்கான் குறித்து விரிவான ஆராய்ச்சிகளை மேற்கொண்டு, ஆரம்பகட்ட முடிவுகளை எட்டியுள்ளனர். அமெரிக்காவின் மாசசூசெட்ஸில் உள்ள SiOnyx என்ற நிறுவனம், மற்ற நிறுவனங்களுக்கு ஒரு தொழில்நுட்ப மேம்பாட்டுத் தளமாகச் செயல்படுவதற்காக, துணிகர மூலதனமாக 11 மில்லியன் டாலர்களைத் திரட்டியுள்ளது. மேலும், சென்சார் அடிப்படையிலான கருப்பு சிலிக்கான் வேஃபர்களின் வணிக உற்பத்தியைத் தொடங்கி, முடிக்கப்பட்ட தயாரிப்புகளை அடுத்த தலைமுறை அகச்சிவப்புப் படமாக்கல் அமைப்புகளில் பயன்படுத்தத் தயாராகி வருகிறது. SiOnyx-இன் தலைமைச் செயல் அதிகாரி ஸ்டீபன் சேலர், கருப்பு சிலிக்கான் தொழில்நுட்பத்தின் குறைந்த விலை மற்றும் அதிக உணர்திறன் நன்மைகள், ஆராய்ச்சி மற்றும் மருத்துவப் படமாக்கல் சந்தைகளில் கவனம் செலுத்தும் நிறுவனங்களின் கவனத்தை தவிர்க்க முடியாமல் ஈர்க்கும் என்று கூறினார். எதிர்காலத்தில், இது பல பில்லியன் டாலர் மதிப்புள்ள டிஜிட்டல் கேமரா மற்றும் கேம்கார்டர் சந்தையில் கூட நுழையக்கூடும். SiOnyx தற்போது கருப்பு சிலிக்கானின் ஒளிமின்னழுத்தப் பண்புகளுடன் பரிசோதனைகளை மேற்கொண்டு வருகிறது, மேலும் இது வெற்றிபெற அதிக வாய்ப்புள்ளது.கருப்பு சிலிக்கான்எதிர்காலத்தில் சூரிய மின்கலங்களில் பயன்படுத்தப்படும். 1. கருப்பு சிலிக்கான் உருவாகும் செயல்முறை
1.1 தயாரிப்பு செயல்முறை
ஒற்றைப் படிக சிலிக்கான் தகடுகள், டிரைகுளோரோஎத்திலீன், அசிட்டோன் மற்றும் மெத்தனால் ஆகியவற்றைக் கொண்டு வரிசையாக சுத்தம் செய்யப்பட்டு, பின்னர் ஒரு வெற்றிட அறையில் உள்ள முப்பரிமாணத்தில் நகரக்கூடிய இலக்கு மேடையின் மீது வைக்கப்படுகின்றன. வெற்றிட அறையின் அடிப்படை அழுத்தம் 1.3 × 10⁻² Pa-ஐ விடக் குறைவாக உள்ளது. செயல்படும் வாயுவாக SF₆, Cl₂, N₂, காற்று, H₂S, H₂, SiH₄ போன்றவற்றை 6.7 × 10⁴ Pa செயல்படும் அழுத்தத்துடன் பயன்படுத்தலாம். மாற்றாக, ஒரு வெற்றிடச் சூழலைப் பயன்படுத்தலாம், அல்லது S, Se, அல்லது Te போன்ற தனிமத் தூள்களை வெற்றிடத்தில் சிலிக்கான் மேற்பரப்பில் பூசலாம். இலக்கு மேடையை நீரிலும் மூழ்க வைக்கலாம். Ti:sapphire லேசர் மீளுருவாக்கப் பெருக்கியால் உருவாக்கப்படும் ஃபெம்டோசெகண்ட் துடிப்புகள் (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) ஒரு வில்லை மூலம் குவிக்கப்பட்டு, சிலிக்கான் மேற்பரப்பில் செங்குத்தாகப் பாய்ச்சப்படுகின்றன (லேசரின் வெளியீட்டு ஆற்றலானது, ஒரு அரை-அலைத் தகடு மற்றும் ஒரு முனைவாக்கி ஆகியவற்றைக் கொண்ட ஒரு தணிப்பியால் கட்டுப்படுத்தப்படுகிறது). இலக்கு மேடையை நகர்த்தி, லேசர் புள்ளியுடன் சிலிக்கான் மேற்பரப்பை ஸ்கேன் செய்வதன் மூலம், பெரிய பரப்பளவு கொண்ட கருப்பு சிலிக்கான் பொருளைப் பெறலாம். வில்லைக்கும் சிலிக்கான் தகட்டிற்கும் இடையிலான தூரத்தை மாற்றுவதன் மூலம், சிலிக்கான் மேற்பரப்பில் பாய்ச்சப்படும் ஒளிப் புள்ளியின் அளவைச் சரிசெய்யலாம், அதன் மூலம் லேசர் பாய்மத்தையும் மாற்றலாம்; புள்ளியின் அளவு நிலையானதாக இருக்கும்போது, இலக்கு மேடையின் நகரும் வேகத்தை மாற்றுவதன் மூலம், சிலிக்கான் மேற்பரப்பின் ஓரலகுப் பரப்பில் பாய்ச்சப்படும் துடிப்புகளின் எண்ணிக்கையைச் சரிசெய்யலாம். செயல்படும் வாயு, சிலிக்கான் மேற்பரப்பின் நுண்கட்டமைப்பின் வடிவத்தை கணிசமாகப் பாதிக்கிறது. செயல்படும் வாயு நிலையானதாக இருக்கும்போது, லேசர் ஆற்றல் அடர்த்தியையும் ஓரலகு பரப்பிற்குப் பெறப்படும் துடிப்புகளின் எண்ணிக்கையையும் மாற்றுவதன் மூலம் நுண் கட்டமைப்புகளின் உயரம், தோற்ற விகிதம் மற்றும் இடைவெளியைக் கட்டுப்படுத்த முடியும்.
1.2 நுண்ணோக்கி பண்புகள்
ஃபெம்டோசெகண்ட் லேசர் கதிர்வீச்சுக்குப் பிறகு, தொடக்கத்தில் வழவழப்பாக இருந்த படிக சிலிக்கான் மேற்பரப்பானது, ஏறக்குறைய சீராக அமைக்கப்பட்ட சிறிய கூம்பு வடிவக் கட்டமைப்புகளின் ஒரு வரிசையைக் காட்டுகிறது. கூம்புகளின் உச்சிகள், சுற்றியுள்ள கதிர்வீச்சுக்கு உட்படாத சிலிக்கான் மேற்பரப்புடன் ஒரே தளத்தில் அமைந்துள்ளன. படம் 2-இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, கூம்பு வடிவக் கட்டமைப்பின் வடிவம் செயல்படும் வாயுவுடன் தொடர்புடையது; இதில் (a), (b), மற்றும் (c)-இல் காட்டப்பட்டுள்ள கூம்பு வடிவக் கட்டமைப்புகள் முறையே SF₆, S, மற்றும் N₂ வளிமண்டலங்களில் உருவாகின்றன. இருப்பினும், கூம்புகளின் உச்சிகளின் திசையானது வாயுவைச் சார்ந்து இருப்பதில்லை; அது எப்போதும் லேசர் படும் திசையையே சுட்டிக்காட்டுகிறது, ஈர்ப்பு விசையால் பாதிக்கப்படுவதில்லை, மேலும் படிக சிலிக்கானின் கலப்பு வகை, மின்தடைத்திறன் மற்றும் படிக நோக்குநிலை ஆகியவற்றையும் சார்ந்து இருப்பதில்லை. கூம்புகளின் அடிப்பகுதிகள் சமச்சீரற்றவை, அவற்றின் குறுகிய அச்சு லேசர் முனைவாக்கத் திசைக்கு இணையாக உள்ளது. காற்றில் உருவாகும் கூம்பு வடிவக் கட்டமைப்புகள் மிகவும் சொரசொரப்பானவை, மேலும் அவற்றின் மேற்பரப்புகள் 10–100 நானோமீட்டர் அளவிலான இன்னும் நுண்ணிய கிளைவடிவ நானோ கட்டமைப்புகளால் மூடப்பட்டிருக்கின்றன.
லேசர் ஆற்றல் அடர்த்தி மற்றும் துடிப்புகளின் எண்ணிக்கை அதிகரிக்கும்போது, கூம்பு வடிவ அமைப்புகள் உயரமாகவும் அகலமாகவும் மாறுகின்றன. SF6 வாயுவில், கூம்பு வடிவ அமைப்புகளின் உயரம் h மற்றும் இடைவெளி d ஆகியவை ஒரு நேரியல் அல்லாத உறவைக் கொண்டுள்ளன, இதை தோராயமாக h∝dp என வெளிப்படுத்தலாம், இங்கு p=2.4±0.1; லேசர் ஆற்றல் அடர்த்தி அதிகரிக்கும்போது உயரம் h மற்றும் இடைவெளி d ஆகிய இரண்டும் கணிசமாக அதிகரிக்கின்றன. ஆற்றல் அடர்த்தி 5 kJ/m²-லிருந்து 10 kJ/m²-ஆக அதிகரிக்கும்போது, இடைவெளி d 3 மடங்கு அதிகரிக்கிறது, மேலும் h மற்றும் d-க்கு இடையிலான உறவுடன் சேர்த்து, உயரம் h 12 மடங்கு அதிகரிக்கிறது.
வெற்றிடத்தில் உயர்-வெப்பநிலை பதப்படுத்தலுக்குப் (1200 K, 3 மணிநேரம்) பிறகு, கூம்பு வடிவ கட்டமைப்புகள்கருப்பு சிலிக்கான்குறிப்பிடத்தக்க அளவில் மாறவில்லை, ஆனால் மேற்பரப்பில் இருந்த 10–100 நானோமீட்டர் கிளை வடிவ நானோ கட்டமைப்புகள் பெருமளவில் குறைந்தன. வெப்பச் செயலாக்கத்திற்குப் பிறகு கூம்பு வடிவ மேற்பரப்பில் இருந்த ஒழுங்கின்மை குறைந்ததாக அயனி வழித்தட நிறமாலையியல் காட்டியது, ஆனால் இந்த வெப்பச் செயலாக்க நிலைமைகளின் கீழ் பெரும்பாலான ஒழுங்கற்ற கட்டமைப்புகள் மாறவில்லை.
1.3 உருவாக்க வழிமுறை
தற்போது, கருப்பு சிலிக்கான் உருவாகும் வழிமுறை தெளிவாக இல்லை. இருப்பினும், எரிக் மசூர் மற்றும் அவரது குழுவினர், செயல்படும் சூழலுக்கு ஏற்ப சிலிக்கான் மேற்பரப்பின் நுண்கட்டமைப்பின் வடிவத்தில் ஏற்படும் மாற்றத்தின் அடிப்படையில், அதிக செறிவுள்ள ஃபெம்டோசெகண்ட் லேசர்களின் தூண்டுதலின் கீழ், வாயுவிற்கும் படிக சிலிக்கான் மேற்பரப்பிற்கும் இடையே ஒரு வேதிவினை நிகழ்கிறது என்றும், இது சிலிக்கான் மேற்பரப்பை சில வாயுக்களால் அரிக்க அனுமதித்து, கூர்மையான கூம்புகளை உருவாக்குகிறது என்றும் ஊகித்தனர். எரிக் மசூர் மற்றும் அவரது குழுவினர், சிலிக்கான் மேற்பரப்பு நுண்கட்டமைப்பு உருவாக்கத்தின் இயற்பியல் மற்றும் வேதியியல் வழிமுறைகளுக்குக் காரணம்: அதிக செறிவுள்ள லேசர் துடிப்புகளால் சிலிக்கான் அடிமூலக்கூறு உருகுதல் மற்றும் அரிக்கப்படுதல்; வலிமையான லேசர் புலத்தால் உருவாக்கப்படும் வினைபுரியும் அயனிகள் மற்றும் துகள்களால் சிலிக்கான் அடிமூலக்கூறு அரிக்கப்படுதல்; மற்றும் அடிமூலக்கூறு சிலிக்கானின் அரிக்கப்பட்ட பகுதி மறுபடிகமாதல் ஆகியவையே என்று கூறினர்.
சிலிக்கான் மேற்பரப்பில் உள்ள கூம்பு வடிவ அமைப்புகள் தன்னிச்சையாக உருவாகின்றன, மேலும் ஒரு முகமூடி இல்லாமலேயே ஏறக்குறைய சீரான வரிசையை உருவாக்க முடியும். எம்.ஒய். ஷென் மற்றும் அவரது குழுவினர், 2 μm தடிமன் கொண்ட ஒரு டிரான்ஸ்மிஷன் எலக்ட்ரான் மைக்ரோஸ்கோப் செப்பு வலையை சிலிக்கான் மேற்பரப்பில் ஒரு முகமூடியாகப் பொருத்தி, பின்னர் SF6 வாயுவில் உள்ள சிலிக்கான் தகட்டை ஒரு ஃபெம்டோசெகண்ட் லேசர் மூலம் கதிர்வீச்சுக்கு உட்படுத்தினர். அவர்கள் சிலிக்கான் மேற்பரப்பில், முகமூடியின் வடிவத்துடன் ஒத்துப்போகும் வகையில், மிகவும் சீராக அமைக்கப்பட்ட கூம்பு வடிவ அமைப்புகளின் வரிசையைப் பெற்றனர் (படம் 4-ஐப் பார்க்கவும்). முகமூடியின் துளை அளவு, கூம்பு வடிவ அமைப்புகளின் அமைப்பை கணிசமாகப் பாதிக்கிறது. முகமூடியின் துளைகளால் படுகின்ற லேசரின் விளிம்பு விளைவு, சிலிக்கான் மேற்பரப்பில் லேசர் ஆற்றலின் சீரற்ற பரவலை ஏற்படுத்துகிறது, இதன் விளைவாக சிலிக்கான் மேற்பரப்பில் ஒரு சீரான வெப்பநிலை பரவல் உண்டாகிறது. இது இறுதியில் சிலிக்கான் மேற்பரப்பு அமைப்பு வரிசையை சீரானதாக மாற்றுகிறது.