Huokoinen pii

Huokoinen pii ( por -Si tai PC) on huokoisista pilkullisista, toisin sanoen huokoisen rakenteen omaavia piitä .

Historia

Huokoisen piin sai ensimmäisen kerran A. Uhlir vuonna 1956 tutkiessaan piipinnan sähkökemiallista kiillotusprosessia HF-vesiliuoksissa. Huokoisia piikalvoja pidettiin pitkään vain laboratoriouteliaisuutena, eikä niitä tutkittu yksityiskohtaisesti. Siitä huolimatta tämä materiaali herätti tutkijoiden huomion, koska sen muodostumismekanismi oli täysin käsittämätön.

Tutkijoiden poikkeuksellinen kiinnostus huokoista piitä kohtaan johtui huokoisen piin aiheuttamasta valosta huoneenlämpötilassa näkyvällä spektrin alueella (punaoranssi alue), jonka L. Kenham (L. Canham) löysi vuonna 1990, kun sitä säteilytettiin laser. Kiinnostus piipohjaisten materiaalien luminesenssia kohtaan johtuu siitä, että koko puolijohdeteollisuus perustuu piihin, eikä yksikiteistä piitä voida käyttää valoa emittoivien laitteiden valmistamiseen, koska sen emissiokyky on mitätön (alle 0,001 %) . .

Tietyissä olosuhteissa, hapettimen läsnä ollessa, huokoisella piillä on taipumus syttyä ja räjähtää mekaanisten, sähköisten ja lämpövaikutusten vaikutuksesta. Tämän vaikutuksen panivat ensimmäisen kerran merkille vuonna 1992 McCord, Yau ja Bard (P. McCord S.-L. Yau ja AJBard, Science 257 (1992) 68-69). Huokoisen nanorakenteisen piin räjähdysenergia on noin neljä kertaa suurempi kuin TNT :n räjähdysenergia . Viime aikoina on ehdotettu käytettäväksi huokoisen piin räjäyttämistä turvatyynyjen käynnistämiseen autoissa, mikrosatelliittien kasettisuihkumoottoreissa.

Luokitus

Huokoinen pii luokitellaan huokoskoon mukaan:

• Mikrohuokoinen pii — D < 2 nm.
• Mesohuokoinen pii — 2 nm < D < 50 nm.
• Makrohuokoinen pii — D > 50 nm.

Haetaan

Perinteinen menetelmä huokoisen piin valmistamiseksi on yksikiteisten piikiekkojen ( c - Si) sähkökemiallinen etsaus fluorivetyhapon etanoliliuoksessa . Piielektrodin (anodin) positiivisessa potentiaalissa etenevät piin liukenemisen ja pelkistyksen monivaiheiset reaktiot. Toinen elektrodi (katodi) on yleensä platinalevy. Sopivalla sähkövirrantiheyden valinnalla c -Si-pinnalle muodostuu huokoinen kerros .

On todettu, että huokoisen piikalvon paksuus riippuu lähes lineaarisesti etsausajasta ja voi vaihdella fraktioista satoihin mikrometreihin. Huokoisen kerroksen rakenteen määräävät virrantiheys , HF: n pitoisuus elektrolyytissä ja piisubstraatin seostuksen luonne .

Huokoisessa piissä substraatista perittyjen atomien järjestys säilyy pääosin. Välittömästi tuotannon jälkeen huokoisten piinäytteiden piirungon pinta peitetään eri muodoissa adsorboituneella vedyllä . Altistuminen ilmalle, erityisesti yhdessä valaistuksen kanssa, johtaa materiaalin merkittävään hapettumiseen .

Huokosten muodostumismekanismi

Malliajatuksia huokosten muodostumismekanismista alkoi muodostua 1960-luvun puolivälistä lähtien, mutta yhtä näkökulmaa ei ole vielä kehitetty ( 2004 ).

Yhteenvetona eri malleista voidaan todeta seuraava. Si-pinta joutuessaan kosketuksiin HF:n vesiliuosten kanssa kyllästyy vedyllä ja muuttuu kemiallisesti inertiksi elektrolyytin suhteen . Jos elektrodeihin kohdistetaan potentiaaliero, piikiekon reiät alkavat siirtyä pii-elektrolyyttirajapintaan. Tässä tapauksessa Si-atomit vapautetaan estävästä vedystä, alkavat olla vuorovaikutuksessa ionien ja elektrolyyttimolekyylien kanssa ja siirtyvät liuokseen. Jos elektrolyysi suoritetaan suurella virrantiheydellä, elektrodin pintaan tulee suuri määrä reikiä. Ne liikkuvat rajapintaa kohti jatkuvana rintamana ja tarjoavat reaktiivisuuden lähes jokaiselle Si-atomille. Koska mikroulokkeilla on suurempi pinta kuin tasaisilla alueilla, ne liukenevat nopeammin. Siten piianodin pinta tasoittuu vähitellen. Tämä on sähkökemiallisen kiillotuksen tapa.

Jos elektrolyysi suoritetaan alhaisella virrantiheydellä, reikien määrä ei riitä järjestämään jatkuvaa eturintamaa ja siksi pinnalla tapahtuu paikallista piin liukenemista. Eri mallien mukaan huokosten nukleoituminen voi alkaa mikrokuopista, rakenteellisista vioista, mekaanisesti rasittuneista kohdista tai pintapotentiaalikentän paikallisista häiriöistä. Ajan myötä ilmaantuneet huokoset kasvavat edelleen syvälle elektrodiin johtuen reikien ajautumisesta huokosten kärkiin, joissa sähkökentän voimakkuus on suurempi.

Ominaisuudet

Huokoisuusaste

Huokoisen piin tärkein ominaisuus, joka määrää suurimman osan sen fysikaalisista parametreista, on huokoisuusaste tai huokoisuus ( P ).

Se määritellään lausekkeella:

missä ρ Si ja ρ por -Si  ovat yksikiteisen ja huokoisen piin tiheydet, vastaavasti.

Tällä hetkellä ( 2005 ) huokoisuusarvot voivat vaihdella 5 - 95 %.

Näytteen huokoisuusaste määritetään yleensä gravimetrisellä menetelmällä (punnitus). Huokoisuuden määritys tällä menetelmällä suoritetaan kolmessa vaiheessa:

1. Punnitus yksikiteinen piikiekko;
2. Syövytetään siihen huokoinen kerros ja punnitaan saatu näyte;
3. Huokoisen kerroksen poistaminen etsaamalla se piisubstraatista ja punnitsemalla näyte uudelleen.

Gravimetrisen menetelmän virhe huokoisen kerroksen pienillä paksuuksilla (jopa 10 µm) ja suurilla huokoisuuksilla (yli 70 %) voi olla 15–20 %. Lisäksi tällaisen huokoisuusasteen säädön käyttö johtaa näytteen tuhoutumiseen, koska huokoinen kerros poistetaan siitä mittausten aikana.

Ominaisuudet

Ominaispinta-ala

Huokoisen piin tunnusomainen piirre on sen sisäpinnan suuri kokonaispinta-ala. Huokoisuudesta ja huokosgeometriasta riippuen se voi vaihdella välillä 10-100 m²/cm³ makrohuokoisella piillä, 100-300 m²/cm³ mesohuokoisella piillä ja 300-800 m²/cm³ nanohuokoisella piillä.

Resistivity

Huokoisella piillä on syövytysolosuhteista riippuen laaja resistiivisyysarvoalue 10–2–10 11 Ω cm.

Lämmönjohtavuus

Erittäin huokoisen piin lämmönjohtavuus on yli suuruusluokkaa pienempi kuin yksikiteisen piin (~10 W/mK 300 K:ssa).

Optiset ominaisuudet

Myös huokoisen piin optiset ominaisuudet eroavat merkittävästi bulkkimateriaalin optisista ominaisuuksista. Erityisesti substraatista erotetun huokoisen kerroksen absorptiospektrin reuna on huokoisuudesta riippuen siirtynyt kohti suurta hν -arvoa E g0:n suhteen 100–500 meV.