ایک انقلابی نیا مواد - بلیک سلیکون
بلیک سلکان ایک نئی قسم کا سلکان مواد ہے جس میں بہترین آپٹو الیکٹرانک خصوصیات ہیں۔ یہ مضمون حالیہ برسوں میں ایرک مازور اور دیگر محققین کے بلیک سلکان پر تحقیقی کام کا خلاصہ پیش کرتا ہے، جس میں بلیک سلیکون کی تیاری اور تشکیل کے طریقہ کار کے ساتھ ساتھ اس کی خصوصیات جیسے جذب، چمک، فیلڈ ایمیشن، اور سپیکٹرل ردعمل کی تفصیل دی گئی ہے۔ یہ انفراریڈ ڈیٹیکٹرز، سولر سیلز، اور فلیٹ پینل ڈسپلے میں بلیک سلکان کی اہم ممکنہ ایپلی کیشنز کی بھی نشاندہی کرتا ہے۔
کرسٹل لائن سلکان سیمی کنڈکٹر انڈسٹری میں اس کے فوائد جیسے صاف کرنے میں آسانی، ڈوپنگ میں آسانی، اور اعلی درجہ حرارت کی مزاحمت کی وجہ سے بڑے پیمانے پر استعمال ہوتا ہے۔ تاہم، اس میں بہت سی خرابیاں بھی ہیں، جیسے کہ اس کی سطح پر مرئی اور انفراریڈ روشنی کی زیادہ عکاسی۔ مزید برآں، اس کے بڑے بینڈ گیپ کی وجہ سے،کرسٹل سلکان1100 nm سے زیادہ طول موج کے ساتھ روشنی کو جذب نہیں کر سکتا۔ جب واقعہ کی روشنی کی طول موج 1100 nm سے زیادہ ہوتی ہے، تو سلکان ڈٹیکٹر کے جذب اور ردعمل کی شرح بہت کم ہو جاتی ہے۔ ان طول موجوں کا پتہ لگانے کے لیے دیگر مواد جیسے جرمینیم اور انڈیم گیلیم آرسنائیڈ کا استعمال کیا جانا چاہیے۔ تاہم، زیادہ قیمت، ناقص تھرموڈینامک خصوصیات اور کرسٹل کا معیار، اور موجودہ بالغ سلیکون کے عمل کے ساتھ عدم مطابقت سلیکون پر مبنی آلات میں ان کے اطلاق کو محدود کرتی ہے۔ لہٰذا، کرسٹل لائن سلکان سطحوں کی عکاسی کو کم کرنا اور سلیکون پر مبنی اور سلکان سے مطابقت رکھنے والے فوٹو ڈیٹیکٹرز کی طول موج کی حد کو بڑھانا ایک گرما گرم تحقیقی موضوع بنا ہوا ہے۔
کرسٹل لائن سلکان سطحوں کی عکاسی کو کم کرنے کے لیے، بہت سے تجرباتی طریقے اور تکنیکوں کو استعمال کیا گیا ہے، جیسے فوٹو لیتھوگرافی، ری ایکٹیو آئن ایچنگ، اور الیکٹرو کیمیکل ایچنگ۔ یہ تکنیکیں، کسی حد تک، کرسٹل لائن سلیکون کی سطح اور قریب کی سطح کی شکل کو تبدیل کر سکتی ہیں، اس طرح کمسلکان سطح کی عکاسی. نظر آنے والی روشنی کی حد میں، عکاسی کو کم کرنے سے جذب میں اضافہ ہو سکتا ہے اور آلہ کی کارکردگی کو بہتر بنایا جا سکتا ہے۔ تاہم، 1100 nm سے زیادہ طول موج پر، اگر سلکان بینڈ گیپ میں جذب کرنے والی توانائی کی سطح کو متعارف نہیں کرایا جاتا ہے، تو کم انعکاس صرف ٹرانسمیشن میں اضافہ کا باعث بنتا ہے، کیونکہ سلکان کا بینڈ گیپ بالآخر طویل طول موج کی روشنی کے جذب کو محدود کر دیتا ہے۔ لہذا، سلکان پر مبنی اور سلکان سے مطابقت رکھنے والے آلات کی حساس طول موج کی حد کو بڑھانے کے لیے، یہ ضروری ہے کہ بینڈ گیپ کے اندر فوٹوون جذب کو بڑھایا جائے جبکہ بیک وقت سلیکون کی سطح کی عکاسی کو کم کیا جائے۔
1990 کی دہائی کے آخر میں، ہارورڈ یونیورسٹی کے پروفیسر ایرک مزور اور دیگر نے مادے کے ساتھ فیمٹوسیکنڈ لیزرز کے تعامل پر اپنی تحقیق کے دوران ایک نیا مواد—بلیک سلکان—حاصل کیا، جیسا کہ شکل 1 میں دکھایا گیا ہے۔ بلیک سلیکون کی فوٹو الیکٹرک خصوصیات کا مطالعہ کرتے ہوئے، ایرک مازور اور ان کے ساتھی حیران رہ گئے کہ اس مائیکرو الیکٹرک مادّے کے مائیکرو الیکٹرک خصوصیات کو دیکھ کر حیران رہ گئے۔ یہ قریب الٹرا وایلیٹ اور قریب اورکت رینج (0.25–2.5 μm) میں تقریباً تمام روشنی کو جذب کر لیتا ہے، جو بہترین مرئی اور قریب اورکت روشنی کی خصوصیات اور فیلڈ کے اخراج کی اچھی خصوصیات کو ظاہر کرتا ہے۔ اس دریافت نے سیمی کنڈکٹر انڈسٹری میں ایک سنسنی پھیلائی، بڑے میگزین اس پر رپورٹ کرنے کے لیے کوشاں تھے۔ 1999 میں، سائنٹفک امریکن اور ڈسکور میگزین، 2000 میں لاس اینجلس ٹائمز سائنس سیکشن، اور 2001 میں نیو سائنٹسٹ میگزین نے تمام فیچر آرٹیکلز شائع کیے جن میں بلیک سلکان کی دریافت اور اس کے ممکنہ ایپلی کیشنز پر بحث کی گئی، اور یہ مانتے ہوئے کہ یہ ریموٹ سینسنگ، مائیکرو الیکٹیکل کمیونیکیشن جیسے شعبوں میں اہم ممکنہ قدر رکھتی ہے۔
فی الحال، فرانس سے T. Samet، آئرلینڈ سے Anoife M. Moloney، چین کی Fudan یونیورسٹی سے Zhao Li، اور چائنیز اکیڈمی آف سائنسز کے Men Haining نے سیاہ سلکان پر وسیع تحقیق کی ہے اور ابتدائی نتائج حاصل کیے ہیں۔ میساچوسٹس، USA میں ایک کمپنی SiOnyx نے دیگر کمپنیوں کے لیے ٹیکنالوجی کی ترقی کے پلیٹ فارم کے طور پر کام کرنے کے لیے وینچر کیپیٹل میں $11 ملین بھی اکٹھا کیے ہیں، اور سینسر پر مبنی بلیک سلکان ویفرز کی کمرشل پروڈکشن شروع کر دی ہے، تیار شدہ مصنوعات کو اگلی نسل کے انفراریڈ امیجنگ سسٹمز میں استعمال کرنے کی تیاری کر رہے ہیں۔ SiOnyx کے سی ای او سٹیفن سیلر نے کہا کہ بلیک سلکان ٹیکنالوجی کی کم قیمت اور اعلیٰ حساسیت کے فوائد لامحالہ تحقیق اور میڈیکل امیجنگ مارکیٹوں پر مرکوز کمپنیوں کی توجہ اپنی طرف مبذول کریں گے۔ مستقبل میں، یہ ملٹی بلین ڈالر ڈیجیٹل کیمرہ اور کیمکارڈر مارکیٹ میں بھی داخل ہو سکتا ہے۔ SiOnyx فی الحال سیاہ سلکان کی فوٹو وولٹک خصوصیات کے ساتھ بھی تجربہ کر رہا ہے، اور اس کا بہت زیادہ امکان ہے کہسیاہ سلکانمستقبل میں شمسی خلیوں میں استعمال کیا جائے گا۔ 1. بلیک سلکان کی تشکیل کا عمل
1.1 تیاری کا عمل
سنگل کرسٹل سلکان ویفرز کو ٹرائی کلوروتھیلین، ایسٹون اور میتھانول کے ساتھ ترتیب وار صاف کیا جاتا ہے، اور پھر ویکیوم چیمبر میں تین جہتی حرکت پذیر ہدف کے مرحلے پر رکھا جاتا ہے۔ ویکیوم چیمبر کا بنیادی دباؤ 1.3 × 10⁻² Pa سے کم ہے۔ کام کرنے والی گیس SF₆، Cl₂، N₂، ہوا، H₂S، H₂، SiH₄، وغیرہ ہو سکتی ہے، جس کا ورکنگ پریشر 6.7 × 10⁴ Pa ہو سکتا ہے۔ متبادل طور پر، پاؤڈر یا ماحولیات کا استعمال کیا جا سکتا ہے۔ Se، یا Te کو ویکیوم میں سلکان کی سطح پر لیپت کیا جا سکتا ہے۔ ہدف کے مرحلے کو بھی پانی میں ڈوبا جا سکتا ہے۔ فیمٹوسیکنڈ دالیں (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) ایک Ti:sapphire لیزر ریجنریٹیو ایمپلیفائر کے ذریعہ تیار کی جاتی ہیں ایک لینس کے ذریعہ فوکس کی جاتی ہیں اور سلیکون کی سطح پر سیدھے طور پر شعاع ہوتی ہیں (لیزر آؤٹ پٹ اور نصف توانائی کے ذریعہ کنٹرول کیا جاتا ہے۔ پولرائزر)۔ لیزر اسپاٹ کے ساتھ سلیکون کی سطح کو اسکین کرنے کے لیے ہدف کے مرحلے کو منتقل کرکے، بڑے رقبے پر مشتمل سیاہ سلکان مواد حاصل کیا جاسکتا ہے۔ لینس اور سلیکون ویفر کے درمیان فاصلے کو تبدیل کرنے سے سلیکون کی سطح پر روشنی کے اسپاٹ کے سائز کو ایڈجسٹ کیا جا سکتا ہے، اس طرح لیزر کی روانی میں تبدیلی آتی ہے۔ جب اسپاٹ کا سائز مستقل ہوتا ہے تو، ہدف کے مرحلے کی حرکت کی رفتار کو تبدیل کرنے سے سلیکون کی سطح کے ایک یونٹ کے علاقے پر شعاع ہونے والی دالوں کی تعداد کو ایڈجسٹ کیا جا سکتا ہے۔ کام کرنے والی گیس سلکان کی سطح کے مائکرو اسٹرکچر کی شکل کو نمایاں طور پر متاثر کرتی ہے۔ جب کام کرنے والی گیس مستقل ہو تو، لیزر کی روانی کو تبدیل کرنا اور فی یونٹ رقبہ پر موصول ہونے والی دالوں کی تعداد مائیکرو اسٹرکچر کی اونچائی، پہلو کا تناسب، اور وقفہ کاری کو کنٹرول کر سکتی ہے۔
1.2 مائیکروسکوپک خصوصیات
فیمٹوسیکنڈ لیزر شعاع ریزی کے بعد، اصل میں ہموار کرسٹل لائن سلیکون کی سطح نیم باقاعدگی سے ترتیب دیے گئے چھوٹے مخروطی ڈھانچے کی ایک صف کی نمائش کرتی ہے۔ مخروطی چوٹییں اسی جہاز پر ہیں جیسے آس پاس کی غیر شعاع شدہ سلیکون سطح۔ مخروطی ساخت کی شکل کام کرنے والی گیس سے متعلق ہے، جیسا کہ شکل 2 میں دکھایا گیا ہے، جہاں (a)، (b) اور (c) میں دکھائے گئے مخروطی ڈھانچے بالترتیب SF₆، S، اور N₂ ماحول میں بنتے ہیں۔ تاہم، مخروطی چوٹیوں کی سمت گیس سے آزاد ہے اور ہمیشہ لیزر واقعات کی سمت اشارہ کرتی ہے، کشش ثقل سے متاثر نہیں، اور ڈوپنگ کی قسم، مزاحمتی صلاحیت، اور کرسٹل سلیکون کی کرسٹل واقفیت سے بھی آزاد ہے۔ مخروطی بنیادیں غیر متناسب ہیں، ان کا مختصر محور لیزر پولرائزیشن سمت کے متوازی ہے۔ ہوا میں بننے والے مخروطی ڈھانچے سب سے کھردرے ہوتے ہیں، اور ان کی سطحیں 10-100 nm کے مزید باریک ڈینڈریٹک نانو اسٹرکچرز سے ڈھکی ہوتی ہیں۔
لیزر کی روانی جتنی زیادہ ہوگی اور دالوں کی تعداد جتنی زیادہ ہوگی، مخروطی ڈھانچے اتنے ہی لمبے اور چوڑے ہوتے جاتے ہیں۔ SF6 گیس میں، مخروطی ڈھانچے کی اونچائی h اور spacing d کا ایک غیر خطی تعلق ہے، جس کا تقریباً h∝dp کے طور پر اظہار کیا جا سکتا ہے، جہاں p=2.4±0.1؛ لیزر کی روانی میں اضافے کے ساتھ اونچائی h اور وقفہ d دونوں میں نمایاں اضافہ ہوتا ہے۔ جب روانی 5 kJ/m² سے 10 kJ/m² تک بڑھ جاتی ہے، تو وقفہ d 3 گنا بڑھ جاتا ہے، اور h اور d کے درمیان تعلق کے ساتھ مل کر، اونچائی h 12 گنا بڑھ جاتی ہے۔
ایک خلا میں اعلی درجہ حرارت کی اینیلنگ (1200 K, 3 h) کے بعد، مخروطی ڈھانچےسیاہ سلکاننمایاں طور پر تبدیل نہیں ہوا، لیکن سطح پر 10-100 nm dendritic nanostructures بہت کم ہو گئے تھے۔ آئن چینلنگ سپیکٹروسکوپی نے ظاہر کیا کہ اینیلنگ کے بعد مخروطی سطح پر خرابی کم ہوئی ہے، لیکن زیادہ تر بے ترتیب ڈھانچے ان انیلنگ حالات میں تبدیل نہیں ہوئے ہیں۔
1.3 تشکیل کا طریقہ کار
فی الحال، سیاہ سلکان کی تشکیل کا طریقہ کار واضح نہیں ہے. تاہم، Eric Mazur et al. کام کرنے والے ماحول کے ساتھ سلیکون کی سطح کے مائیکرو اسٹرکچر کی شکل میں تبدیلی کی بنیاد پر قیاس کیا گیا، کہ زیادہ شدت والے فیمٹوسیکنڈ لیزرز کے محرک کے تحت، گیس اور کرسٹل لائن سلکان کی سطح کے درمیان ایک کیمیائی عمل ہوتا ہے، جس سے سلیکون کی سطح کو مخصوص گیسوں کے ذریعے کھینچنے کی اجازت ملتی ہے، جس سے تیز شنک بنتے ہیں۔ ایرک مازور وغیرہ۔ سلیکون کی سطح کے مائیکرو اسٹرکچر کی تشکیل کے جسمانی اور کیمیائی میکانزم کو اس سے منسوب کیا گیا ہے: ہائی فلونس لیزر دالوں کی وجہ سے سلکان سبسٹریٹ کا پگھلنا اور خاتمہ؛ ری ایکٹیو آئنوں اور مضبوط لیزر فیلڈ سے پیدا ہونے والے ذرات کے ذریعے سلکان سبسٹریٹ کی اینچنگ؛ اور سبسٹریٹ سلکان کے ختم شدہ حصے کی دوبارہ تشکیل۔
سلیکون کی سطح پر مخروطی ڈھانچے خود بخود بنتے ہیں، اور ایک نیم باقاعدہ صف بغیر ماسک کے بن سکتی ہے۔ MY Shen et al. ایک 2 μm موٹی ٹرانسمیشن الیکٹران مائکروسکوپ کاپر میش کو سلیکون کی سطح پر ایک ماسک کے طور پر منسلک کیا، اور پھر فیمٹوسیکنڈ لیزر کے ساتھ SF6 گیس میں سلکان ویفر کو شعاع ریزی کیا۔ انہوں نے سلیکون کی سطح پر مخروطی ڈھانچے کی ایک بہت ہی باقاعدگی سے ترتیب شدہ صف حاصل کی، جو ماسک پیٹرن کے مطابق ہے (شکل 4 دیکھیں)۔ ماسک کا یپرچر سائز مخروطی ڈھانچے کی ترتیب کو نمایاں طور پر متاثر کرتا ہے۔ ماسک اپرچرز کے ذریعے واقع لیزر کا پھیلاؤ سلیکون کی سطح پر لیزر توانائی کی غیر یکساں تقسیم کا سبب بنتا ہے، جس کے نتیجے میں سلیکون کی سطح پر درجہ حرارت کی متواتر تقسیم ہوتی ہے۔ یہ بالآخر سلکان کی سطح کے ڈھانچے کو باقاعدہ بننے پر مجبور کرتا ہے۔