Хувьсгалт шинэ материал - Хар цахиур
Хар цахиур нь маш сайн оптоэлектроник шинж чанартай шинэ төрлийн цахиурын материал юм. Энэхүү өгүүлэлд Эрик Мазур болон бусад судлаачдын сүүлийн жилүүдэд хар цахиурын талаар хийсэн судалгааны ажлыг нэгтгэн дүгнэж, хар цахиурыг бэлтгэх, үүсгэх механизм, түүнчлэн шингээлт, гэрэлтэлт, талбайн ялгаруулалт, спектрийн хариу урвал зэрэг шинж чанаруудыг нарийвчлан авч үзсэн болно. Мөн хар цахиурыг хэт улаан туяаны мэдрэгч, нарны зай, хавтгай дэлгэцэнд ашиглах чухал боломжуудыг онцолсон болно.
Кристалл цахиур нь цэвэршүүлэхэд хялбар, хольц оруулахад хялбар, өндөр температурт тэсвэртэй зэрэг давуу талуудаасаа шалтгаалан хагас дамжуулагчийн үйлдвэрлэлд өргөн хэрэглэгддэг. Гэсэн хэдий ч энэ нь гадаргуу дээрх харагдахуйц болон хэт улаан туяаны гэрлийн өндөр тусгал зэрэг олон сул талуудтай. Цаашилбал, зурвасын зай ихтэй тулталст цахиур1100 нм-ээс их долгионы урттай гэрлийг шингээж чадахгүй. Тусах гэрлийн долгионы урт 1100 нм-ээс их байх үед цахиурын мэдрэгчийн шингээлт болон хариу урвалын хурд эрс буурдаг. Эдгээр долгионы уртыг илрүүлэхэд германий болон индий галлий арсенид зэрэг бусад материалыг ашиглах шаардлагатай. Гэсэн хэдий ч өндөр өртөг, термодинамик шинж чанар муу, талстын чанар муу, одоо байгаа боловсорсон цахиурын процессуудтай нийцэхгүй байдал нь тэдгээрийг цахиур дээр суурилсан төхөөрөмжүүдэд хэрэглэхийг хязгаарладаг. Тиймээс цахиур дээр суурилсан болон цахиуртай нийцтэй фотодетекторуудын талст цахиурын гадаргуугийн тусгалыг бууруулж, илрүүлэх долгионы уртын хүрээг өргөтгөх нь судалгааны халуун сэдэв хэвээр байна.
Кристалл цахиурын гадаргуугийн ойлтыг багасгахын тулд фотолитографи, реактив ионы сийлбэр, электрохимийн сийлбэр зэрэг олон туршилтын арга, техникийг ашигласан. Эдгээр техникүүд нь тодорхой хэмжээгээр кристалл цахиурын гадаргуу болон гадаргуу орчмын морфологийг өөрчилж, улмаар ...-ийг бууруулдаг.цахиур гадаргуугийн тусгал. Үзэгдэх гэрлийн хүрээнд тусгалыг багасгах нь шингээлтийг нэмэгдүүлж, төхөөрөмжийн үр ашгийг сайжруулж чадна. Гэсэн хэдий ч 1100 нм-ээс дээш долгионы уртад цахиурын зурвасын зайд шингээлтийн энергийн түвшин оруулаагүй бол тусгалыг багасгах нь зөвхөн дамжуулалтыг нэмэгдүүлэхэд хүргэдэг, учир нь цахиурын зурвасын зай нь эцсийн дүндээ урт долгионы гэрлийн шингээлтийг хязгаарладаг. Тиймээс цахиур дээр суурилсан болон цахиуртай нийцтэй төхөөрөмжүүдийн мэдрэмтгий долгионы уртын хүрээг өргөжүүлэхийн тулд цахиурын гадаргуугийн тусгалыг нэгэн зэрэг бууруулахын зэрэгцээ зурвасын зай доторх фотоны шингээлтийг нэмэгдүүлэх шаардлагатай.
1990-ээд оны сүүлээр Харвардын Их Сургуулийн профессор Эрик Мазур болон бусад хүмүүс фемтосекундын лазерын бодистой харилцан үйлчлэлийн талаарх судалгааныхаа үеэр шинэ материал болох хар цахиурыг олж авсан бөгөөд үүнийг Зураг 1-т үзүүлэв. Хар цахиурын фотоэлектрик шинж чанарыг судалж байхдаа Эрик Мазур болон түүний хамтрагчид энэхүү бичил бүтэцтэй цахиурын материал нь өвөрмөц фотоэлектрик шинж чанартай болохыг олж мэдээд гайхсан. Энэ нь хэт ягаан туяаны болон хэт улаан туяаны ойролцоох мужид (0.25-2.5 μм) бараг бүх гэрлийг шингээж, маш сайн харагдахуйц болон хэт улаан туяаны гэрэлтэлтийн шинж чанар, сайн талбайн ялгаруулалтын шинж чанарыг харуулдаг. Энэхүү нээлт нь хагас дамжуулагчийн салбарт шуугиан тарьж, томоохон сэтгүүлүүд үүний талаар мэдээлэхээр өрсөлдөж байв. 1999 онд Scientific American болон Discover сэтгүүлүүд, 2000 онд Los Angeles Times-ын шинжлэх ухааны хэсэг, 2001 онд New Scientist сэтгүүл бүгд хар цахиурын нээлт болон түүний боломжит хэрэглээний талаар хэлэлцсэн нийтлэлүүдийг нийтэлж, алсын зайн мэдрэгч, оптик холбоо, микроэлектроник зэрэг салбарт мэдэгдэхүйц үнэ цэнэтэй гэж үзэж байв.
Одоогийн байдлаар Францын Т.Самет, Ирландын Анойфе М. Молони, Хятадын Фудан Их Сургуулийн Жао Ли, Хятадын Шинжлэх Ухааны Академийн Мэн Хайнинг нар хар цахиурын талаар өргөн хүрээтэй судалгаа хийж, урьдчилсан үр дүнд хүрсэн байна. АНУ-ын Массачусетс мужийн SiOnyx компани бусад компаниудад технологийн хөгжлийн платформ болгон ашиглахын тулд 11 сая долларын хөрөнгө босгож, мэдрэгч дээр суурилсан хар цахиурын вафли үйлдвэрлэх ажлыг эхлүүлж, бэлэн бүтээгдэхүүнийг дараагийн үеийн хэт улаан туяаны дүрслэлийн системд ашиглахаар бэлтгэж байна. SiOnyx-ийн гүйцэтгэх захирал Стивен Сэйлор хар цахиурын технологийн хямд өртөг, өндөр мэдрэмжийн давуу талууд нь судалгаа, эмнэлгийн дүрслэлийн зах зээлд чиглэсэн компаниудын анхаарлыг зайлшгүй татах болно гэж мэдэгдэв. Ирээдүйд энэ нь олон тэрбум долларын дижитал камер, камерын зах зээлд ч орж магадгүй юм. SiOnyx нь одоогоор хар цахиурын фотоэлектрик шинж чанарыг туршиж байгаа бөгөөд энэ нь ... магадлал өндөр байна.хар цахиурирээдүйд нарны зай хураагуурт ашиглагдах болно. 1. Хар цахиур үүсэх үйл явц
1.1 Бэлтгэх үйл явц
Ганц талст цахиурын вафлигуудыг трихлорэтилен, ацетон, метанолоор дараалан цэвэрлээд дараа нь вакуум камерт гурван хэмжээст хөдөлгөөнт бай үе шат дээр байрлуулна. Вакуум камерын суурь даралт нь 1.3 × 10⁻² Па-аас бага байна. Ажлын хий нь SF₆, Cl₂, N₂, агаар, H₂S, H₂, SiH₄ гэх мэт байж болох бөгөөд ажлын даралт нь 6.7 × 10⁴ Па байна. Эсвэл вакуум орчин ашиглаж болно, эсвэл S, Se, эсвэл Te элементийн нунтагыг вакуум дотор цахиурын гадаргуу дээр бүрж болно. Бай үе шатыг мөн усанд дүрж болно. Ti:сапфир лазерын нөхөн төлжих өсгөгчийн үүсгэсэн фемтосекундын импульс (800 нм, 100 фс, 500 мкЖ, 1 кГц)-ийг линзээр төвлөрүүлж, цахиурын гадаргуу дээр перпендикуляр цацраг туяагаар цацруулдаг (лазерын гаралтын энергийг хагас долгионы хавтан болон туйлшруулагчаас бүрдэх сулруулагч хянадаг). Лазер толбо ашиглан цахиурын гадаргууг сканнердахын тулд зорилтот үе шатыг хөдөлгөснөөр том талбайн хар цахиурын материалыг гаргаж авах боломжтой. Линз болон цахиурын хавтангийн хоорондох зайг өөрчлөх нь цахиурын гадаргуу дээр цацруулсан гэрлийн толбоны хэмжээг тохируулж, улмаар лазерын флюенсийг өөрчилж болно; толбоны хэмжээ тогтмол байх үед зорилтот үе шатны хөдөлгөөний хурдыг өөрчлөх нь цахиурын гадаргуугийн нэгж талбайд цацруулсан импульсийн тоог тохируулж болно. Ажлын хий нь цахиурын гадаргуугийн бичил бүтцийн хэлбэрт мэдэгдэхүйц нөлөөлдөг. Ажлын хий тогтмол байх үед лазерын флюенс болон нэгж талбайд хүлээн авсан импульсийн тоог өөрчлөх нь бичил бүтцийн өндөр, харьцаа, зайг хянах боломжтой.
1.2 Микроскопийн шинж чанарууд
Фемтосекундын лазерын цацрагийн дараа анх гөлгөр талст цахиурын гадаргуу нь бараг тогтмол зохион байгуулалттай жижиг конус хэлбэрийн бүтцийг харуулдаг. Конусын оройнууд нь эргэн тойрон дахь цацраг туяагаар цацагдаагүй цахиурын гадаргуутай ижил хавтгайд байрладаг. Конус хэлбэрийн бүтцийн хэлбэр нь ажлын хийтэй холбоотой бөгөөд Зураг 2-т үзүүлсэнчлэн (a), (b), (c)-д үзүүлсэн конус хэлбэрийн бүтэц нь тус тус SF₆, S, N₂ агаар мандалд үүсдэг. Гэсэн хэдий ч конусын оройн чиглэл нь хийнээс хамааралгүй бөгөөд үргэлж лазерын тусах чиглэл рүү чиглэдэг бөгөөд таталцлын нөлөөнд автдаггүй, мөн талст цахиурын хольцын төрөл, эсэргүүцэл, талстын чиглэлээс хамааралгүй байдаг; конусын суурь нь тэгш бус бөгөөд богино тэнхлэг нь лазерын туйлшралын чиглэлтэй параллель байдаг. Агаарт үүссэн конус хэлбэрийн бүтэц нь хамгийн барзгар бөгөөд тэдгээрийн гадаргуу нь 10-100 нм-ийн бүр ч нарийн дендрит нано бүтэцээр бүрхэгдсэн байдаг.
Лазерын урсгал өндөр, импульсийн тоо их байх тусам конус хэлбэрийн бүтэц өндөр, өргөн болно. SF6 хийд конус хэлбэрийн бүтцийн өндөр h ба зай d нь шугаман бус хамааралтай байдаг бөгөөд үүнийг ойролцоогоор h∝dp гэж илэрхийлж болно, энд p=2.4±0.1; өндөр h ба зай d хоёулаа лазерын урсгал нэмэгдэхийн хэрээр мэдэгдэхүйц нэмэгддэг. Урсгал 5 кЖ/м²-ээс 10 кЖ/м² хүртэл нэмэгдэхэд d зай 3 дахин нэмэгдэж, h ба d-ийн хамааралтай нийлбэл h өндөр 12 дахин нэмэгддэг.
Вакуум орчинд өндөр температурт (1200 К, 3 цаг) хайлуулсны дараа конус хэлбэрийн бүтэцхар цахиурмэдэгдэхүйц өөрчлөгдөөгүй боловч гадаргуу дээрх 10-100 нм дендрит нано бүтэц ихээхэн багассан. Ионы сувгийн спектроскопи нь конус хэлбэрийн гадаргуу дээрх эмгэг нь хайлалтын дараа буурсан боловч ихэнх эмгэгтэй бүтэц нь эдгээр хайлалтын нөхцөлд өөрчлөгдөөгүй болохыг харуулсан.
1.3 Үүсэх механизм
Одоогоор хар цахиурын үүсэх механизм тодорхойгүй байна. Гэсэн хэдий ч Эрик Мазур нар ажлын агаар мандлын нөлөөгөөр цахиурын гадаргуугийн бичил бүтцийн хэлбэр өөрчлөгдөхөд үндэслэн өндөр эрчимтэй фемтосекундын лазерын өдөөлтийн дор хий болон талст цахиурын гадаргуугийн хооронд химийн урвал явагдаж, цахиурын гадаргууг тодорхой хийгээр сийлж, хурц конус үүсгэдэг гэж таамагласан. Эрик Мазур нар цахиурын гадаргуугийн бичил бүтцийн үүсэх физик болон химийн механизмыг дараахь зүйлтэй холбон тайлбарласан: өндөр урсгалтай лазерын импульсийн улмаас цахиурын суурь хайлах ба абляци; хүчтэй лазерын талбайн үүсгэсэн урвалд ордог ионууд болон хэсгүүдээр цахиурын суурь сийлбэр; мөн цахиурын суурь абляцилагдсан хэсгийг дахин талсжуулах.
Цахиурын гадаргуу дээрх конус хэлбэрийн бүтэц нь аяндаа үүсдэг бөгөөд маскгүйгээр квази-ердийн массив үүсгэж болно. МЫ Шен нар цахиурын гадаргуу дээр 2 μм зузаантай дамжуулагч электрон микроскопын зэс торыг маск болгон бэхлээд дараа нь цахиурын вафлийг SF6 хийд фемтосекундын лазераар цацрагаар цацруулсан. Тэд цахиурын гадаргуу дээр маскны хэв маягтай нийцсэн маш тогтмол зохион байгуулалттай конус хэлбэрийн массивыг олж авсан (Зураг 4-ийг үзнэ үү). Маскны нүхний хэмжээ нь конус хэлбэрийн бүтцийн зохион байгуулалтад ихээхэн нөлөөлдөг. Маскны нүхээр тусах лазерын дифракци нь цахиурын гадаргуу дээр лазерын энергийн жигд бус тархалтыг үүсгэж, цахиурын гадаргуу дээр үечилсэн температурын тархалтыг бий болгодог. Энэ нь эцсийн дүнд цахиурын гадаргуугийн бүтцийн массивыг тогтмол болгоход хүргэдэг.