블랙 실리콘

Black silicon

흑실리콘은 반도체 물질로 반사율이 매우 낮고 그에 상응하여 가시광선(및 적외선)의 흡수가 높은 실리콘의 표면 개조물이다.null

이러한 변경은 1980년대에 반응 이온 에칭(RIE)의 원치 않는 부작용으로서 발견되었다.[1][2]유사한 구조를 형성하는 다른 방법으로는 전기화학적 에칭, 착색 에칭, 금속 보조 화학 에칭, 레이저 처리(하버드 대학교의 Eric Mazur 연구실에서 개발), FFC Cambridge 공정(전기화학적 감소 과정) 등이 있다.[3]null

블랙실리콘은 표준 결정 실리콘 태양전지의 광-전기 변환 효율을[4] 높여 비용을 크게 절감할 수 있어 태양광 산업의 주요 자산이 됐다.[5]null

특성.

RIE(ASE 공정)에 의해 생산된 검정 실리콘의 전자 마이크로그래프 스캐닝
극저온 RIE에 의해 형성된 검은 실리콘의 SEM 마이크로그래프.Bosch 공정 RIE로 얻은 비탈면 사이드월과는 달리 매끄럽고 경사진 표면을 주목하십시오.

흑실리콘은 바늘이 단결정 실리콘으로 만들어져 높이가 10µm 이상, 직경이 1µm 미만인 바늘 모양의 표면 구조물이다.[2]그것의 주요 특징은 입사광의 흡수를 증가시킨다는 것이다. - 실리콘의 높은 반사율은 보통 준정규 발생의 경우 20-30%로, 약 5%로 감소한다.바늘에 의해 이른바 유효 매개체가[6] 형성되기 때문이다.이 매체 내에는 날카로운 인터페이스가 없고, 프레스넬 반사를 감소시키는 굴절률의 연속적인 변화가 있다.등급이 매겨진 층의 깊이가 실리콘의 빛의 파장과 대략 같을 때(진공 중 파장의 약 1/4), 반사율은 5%로 감소한다; 더 깊은 등급은 더 검은 실리콘을 생산한다.[7]낮은 반사율을 위해 지수 등급 계층을 생성하는 나노 크기의 특징은 산란 방지를 위해 입사광의 파장보다 작아야 한다.[7]null

경사진 RIE에 의해 생산된 기울어진 나노콘이 있는 검은색 실리콘의 SEM 사진.

적용들

실리콘의 반도체 특성과 결합된 특이한 광학적 특성은 이 물질을 센서 용도에 흥미롭게 만든다.잠재적 애플리케이션에는 다음이 포함된다.[8]

생산

반응 이온 식각

RIE(ASE 공정)에 의해 생산된 검정 실리콘의 단일 "니들"에 대한 전자 마이크로그래프 스캐닝

반도체 기술에서 리액티브 이온 에칭(RIE)은 최대 수백 마이크로미터의 깊이와 매우 높은 가로 세로 비율을 가진 참호와 구멍을 생산하는 표준 절차다.Bosch 공정 RIE에서 이것은 식각과 패시브레이션 사이를 반복적으로 전환함으로써 달성된다.극저온 및 산소 가스는 극저온 RIE를
2 통해 SiO를 형성하여 이러한 sidewall passivation을 달성하며, 방향 이온에 의해 아래에서 쉽게 제거된다.두 가지 RIE 방법 모두 검은 실리콘을 생산할 수 있지만, 결과 구조의 형태학은 상당히 다르다.Bosch 공정의 식각과 패시브 사이의 전환은 불규칙한 측면벽을 생성하며, 이러한 방식으로 형성된 검은색 실리콘에서도 볼 수 있다.null

그러나 식각 중에는 작은 파편이 기판에 남아 이온 빔을 가리고 제거되지 않는 구조를 생성하며, 다음 식각 및 패시브 단계에서 높은 실리콘 기둥을 형성한다.[21]이 과정은 1제곱밀리미터의 면적에 백만 개의 바늘이 형성되도록 설정될 수 있다.[14]null

마주르의 방법

1999년 에릭 마주르가 이끄는 하버드대 그룹은 펨토초 레이저 펄스로 실리콘을 조사하여 검정 실리콘을 생산하는 공정을 개발했다.[22]실리콘 표면은 황 헥사플루오라이드 및 기타 도펜트를 함유한 기체가 있는 곳에서 조사 후 마이크로미터 크기의 원뿔을 자체 구성한 현미경 구조를 개발한다.그 결과 물질은 적외선 범위까지 확장되는 흡수 등, 일반 실리콘이 투명한 파장을 포함하여 실리콘의 밴드 간격 이하에 많은 주목할 만한 성질을 가지고 있다.황 원자는 실리콘 표면에 강제적으로 작용하여 밴드 간격이 낮은 구조를 만들어 내고 따라서 더 긴 웨이블렝트를 흡수할 수 있다.hs.

특수 가스 주변 장치 없이 제조된 검은색 실리콘 - 실험실 LP3-CNRS

동일한 유형의 레이저 및 레이저 가공 조건을 사용하여 진공에서도 유사한 표면 수정을 달성할 수 있다.이 경우 개별 실리콘 원뿔은 뾰족한 팁이 부족하다(이미지 참조).그러한 마이크로 구조화된 표면의 반사율은 스펙트럼 범위 350–1150 nm에서 3–14%로 매우 낮다.[23]이러한 반사율의 감소는 원뿔 기하학에서 기인하는데, 원뿔 기하학에서 기인하며, 원뿔들 사이의 빛 내부 반사율을 증가시킨다.따라서 빛 흡수 가능성이 높아진다.FS 레이저 텍스처링에 의해 달성된 흡수 이득은 태양전지 제조에서 단결정 실리콘 웨이퍼 표면 텍스처링에 대한 표준 산업 접근법인 [24]알칼리성 화학 에치법을 사용하여 달성한 것보다 월등했다.그러한 표면 수정은 국부 결정 방향과 무관하다.다결정 실리콘 웨이퍼 표면 전체에 걸쳐 균일한 텍스처링 효과를 얻을 수 있다.매우 가파른 각도는 반사율을 거의 0에 가깝게 낮추고 또한 재조합의 확률을 증가시켜 태양전지에 사용하지 못하게 한다.null

나노포레스

실리콘 웨이퍼에 구리 질산, 인산, 불소화수소, 물을 섞으면 인산 감소는 구리 나노입자로 구리 이온을 감소시킨다.나노입자는 웨이퍼 표면에서 전자를 끌어당겨 산화시키고 불소화수소가 역피라미드 모양의 나노입자를 태워 실리콘 안으로 들어가게 한다.이 과정은 99% 이상의 빛을 통과시키는 590nm 정도의 작은 모공을 만들어냈다.[25]null


케미컬 에칭

또한 블랙 실리콘은 MACE(Metal-Assisted Chemical Etching, MACE)라는 공정을 이용한 화학 에칭으로 생산될 수 있다.[26][27][28][29]null

함수

물질이 작은 전기 전압에 의해 편향되면 흡수된 광자는 수십 개의 전자를 흥분시킬 수 있다.검은색 실리콘 검출기의 감도는 가시광선 스펙트럼과 적외선 스펙트럼 모두에서 처리되지 않은 실리콘(기존 실리콘)보다 100~500배 높다.[30][31]null

국립 재생 에너지 연구소의 한 단체는 18.2%의 효율을 가진 검은 실리콘 태양 전지를 보고했다.[17]이 검은 실리콘 반반사 표면은 은 나노 입자를 이용한 금속 보조 에치 공정에 의해 형성되었다.5월 2015년에 핀란드 알토 대학교의 연구원들은 Universitat Politècnica 카탈루냐 연구원들과 작업 22.1%efficiency[32][33]과 원자층 증착에 의한 나노 구조에 얇은 passivating 필름을 적용하고 백업 측에 모든 금속 연락처를 통합하여 o.에 의해 검은 실리콘 태양 세포를 만들었다고 발표했다f는세포를 놓다

멜버른의 스윈번 공과대학의 엘레나 이바노바 교수팀은 2012년[34] 매미 날개가 인간을 감염시키고 항생제에 내성을 갖게 되는 기회주의적인 세균인 녹농균의 강력한 살인자라는 사실을 발견했다.그 효과는 박테리아가 표면에 정착하면서 잘게 쪼개지는 일정한 간격을 둔 "나노필라"에서 비롯되었다.null

매미 날개와 검은 실리콘은 둘 다 실험실에서 그들의 페이스를 통과했고 둘 다 살균제였다.사람의 손길이 매끄럽게 닿으면서 표면은 그람 음성과 그람 양성 박테리아와 박테리아 포자를 파괴했다.null

대상 박테리아 종은 P. 에어로기노사, 포도상구균 아우레우스, 탄저균의 사촌인 광범위한 토양 세균인 바실러스 아열대균이었다.null

살상률은 처음 3시간 동안 분당 45만개의 박테리아 또는 사람을 S. aureus에 감염시키는 데 필요한 최소선량의 810배, P. 에어로기노사의 7만7,400배였다.그러나 나중에 이바노바 팀의 정량화 프로토콜이 이런 종류의 항균성 표면에 적합하지 않다는 것이 증명되었다.null

참고 항목

참조

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외부 링크