WEST LAFAYETTE, Ind. - Умный, но хрупкий член семейства кремниевых элементов обрел новую силу благодаря процессу, разработанному в Университете Пердью, открывающему путь к более быстрым, компактным компьютерам и новым типам сенсорных устройств.
Джиллиан Буриак, доцент химического факультета Пердью, разработала способ стабилизации поверхности пористого кремния, светоизлучающего материала, который предлагает большие перспективы для объединения света и электроники для создания новых типов компьютеров и других устройств. оптические устройства.
Метод также может привести к точно настроенным датчикам, которые можно использовать для выполнения измерений в реальном времени в производстве и медицине.
«Это самая стабильная поверхность из пористого кремния на сегодняшний день», - говорит Буряк. «Используя нашу обработку, мы можем создать невероятно стабильную поверхность, которая должна выдерживать суровые условия эксплуатации».
Purdue пытается запатентовать этот метод. Подробности открытия будут опубликованы в выпуске журнала Американского химического общества от 17 февраля.
Пористый кремний по составу идентичен кремнию, используемому сегодня во многих технологических приложениях, но его поверхность содержит крошечные отверстия или поры. Поры содержат микроскопические структуры из кремния, излучающие свет при воздействии ультрафиолетового света. Этот тип кремния известен ученым с 1950-х годов, когда они обнаружили, что кремний не всегда можно отполировать до гладкости в процессе производства.
Только в 1990 году было обнаружено, что этот «шероховатый» или пористый кремний обладает фотолюминесцентными свойствами. В 1992 году ученые обнаружили, что он также излучает свет при подаче электрического тока, что открыло двери для объединения света и электроники для создания компьютеров и других устройств.
«Поскольку большая часть наших современных технологий основана на кремнии, может быть относительно легко разработать оптические приложения и объединить их с современными технологиями, поскольку производственные процессы уже налажены», - говорит Буриак..
Например, пористый кремний может служить плоской поверхностью экрана толщиной в миллиметр для экранов компьютеров, заменяя большие громоздкие компьютерные экраны, использующие электронно-лучевые трубки.
Свойства пористого кремния также делают его идеальным материалом для разработки компьютеров, основанных на световых сигналах, а не на электрических сигналах. Такие компьютеры будут работать быстрее, поскольку лучи света могут передавать информацию намного быстрее, чем электроны, пробивающиеся сквозь твердый материал.
Использование света для передачи данных также устранит накопление тепла в компьютерах, что позволит ученым проектировать меньшие компьютеры, укладывая несколько слоев чипов из пористого кремния.
Хотя свойства пористого кремния обещают новые мощные технологии, Буриак говорит, что до сих пор необработанный материал был слишком хрупким, чтобы выдерживать эти приложения. Молекулы кислорода и воды в воздухе взаимодействуют с поверхностью пористого кремния, создавая стеклоподобное покрытие, которое нарушает его фотолюминесцентные свойства.
«Через несколько недель материал окислится или «заржавеет», - говорит Буряк. «Но в этом случае вместо коричневатого шероховатого покрытия процесс окисления дает более гладкую стекловидную поверхность, которая ограничивает функциональность материала».
Буриак, работая с исследователем бакалавриата Мэтью Алленом из Шварц-Крик, штат Мичиган, нашел способ предотвратить это окисление с помощью химического процесса, который работает в жидкостях.
Многие реакции связаны с химическими связями, подобными тем, которые возникают на поверхности пористого кремния. Поэтому я перечислил эти реакции и нашел одну, которая, как мне казалось, имеет наилучшие шансы протекать без повреждения поверхности. - говорит Буряк.
"Мы придумали очень чистую, очень легкую, комнатную температуру, одночасовую реакцию, которая позволяет нам стабилизировать поверхность."
Буриак покрывает пористую поверхность кремния кислотой Льюиса, раствором, вызывающим реакцию, в результате которой образуется жирное покрытие, которое защищает поверхность, позволяя пористому кремнию сохранять свои фотолюминесцентные свойства.
Чтобы проверить, насколько хорошо обработка выдерживает воздействия окружающей среды, Буряк прокипятил образцы обработанного и необработанного пористого кремния в сильнощелочном растворе гидроксида калия в течение часа.
«Кремний и соединения кремнезема обычно растворяются в растворе с pH выше 7», - говорит она. «Кипячением мы ускоряем процесс старения, чтобы проверить, насколько хорошо этот метод стабилизации выдержит жесткие условия в течение определенного периода времени».
Обработанные поверхности не показали окисления и лишь незначительные изменения фотолюминесцентных свойств, в то время как поверхности необработанных образцов растворились.
«Это указывает на то, что после обработки поверхность будет оставаться стабильной в течение длительного периода времени», - говорит она.
Новая обработка также позволит ученым добавлять на поверхность другие соединения, чтобы можно было манипулировать светоизлучающими свойствами пористого кремния, чтобы реагировать на определенные химические вещества или условия.
Эту функцию можно использовать для разработки новых типов медицинских или промышленных сенсорных устройств, говорит Буряк.
«Когда ультрафиолетовый свет попадает на поверхность пористого кремния, он переизлучается обратно в красной длине волны, создавая ярко-оранжевый цвет», - говорит Буряк. «Но если мы добавим, например, химическое вещество, которое связывается с ионами натрия, когда натрий присутствует, это вызовет сдвиг длины волны переизлучения, создавая другой цвет, такой как желтый или красный. Таким образом, вы можете посмотреть на разницу цветов и увидеть присутствует ли натрий и в какой концентрации он присутствует."
Используя эти знания, ученые могли разработать сенсорные устройства, которые можно было бы использовать в кабинете врача, избавляя от необходимости отправлять образцы крови и других тканей в лабораторию для тестирования.
Те же методы могут быть применены для разработки датчиков, которые немедленно реагируют на химические изменения в окружающей среде. Такие датчики можно использовать на заводах для выполнения измерений контроля качества в режиме реального времени.
"В настоящее время, если вы хотите проверить химическую смесь в процессе производства, вам нужно пройти трудоемкий процесс отбора образца и отправки его в лабораторию контроля качества, где он будет протестирован", Буряк говорит. «Идеальным вариантом было бы поместить датчик в чан, где готовятся химические смеси, чтобы смесь постоянно контролировалась во время процесса».
Буриак говорит, что с разработкой стабильной формы пористого кремния такие приложения могут появиться в течение трех-пяти лет. Ее исследование финансировалось Purd ue.