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[技术交流] 你不了解的黑硅

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发表于 2012-10-11 14:56:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
碳交易培训 7月期
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"黑硅"(blacksilicon)是美国最新研究发现的一种能大幅提高光电转换效率的新型电子材料。美国哈佛大学物理实验室研究人员用超短波、高强度   黑硅
激光脉冲扫描普通的硅片,经过500次脉冲扫描后,用肉眼观看硅晶片呈黑色,研究人员将这种物质命名为"黑硅"。

  在电子显微镜下,研究人员发现"黑硅"表面呈现出超细的钉状结构,并且比普通CCD用硅片光电转换性能有大幅提高。2008年10月12日,纽约时报首次对这种新材料进行了报导。

  从最新的发现来看,"黑硅"对光极其敏感,与传统硅晶片制作的感测器相比,黑硅晶片对光的敏感度可提升100到500倍。此外,"黑硅"能吸收的可见光比一般的硅片多一倍,对红外线也具有探测能力,而这一点是普通硅探测器做不到的。因此,"黑硅"最初的应用可能是夜视系统。

  "黑硅"是一种革命性的新型电子材料,它将对超灵敏传感器、光伏电池等技术产生深远的影响,也可能会改变数字摄影、夜视仪设备的未来。

  日前,哈佛大学向美国SiOnyx公司提供了"黑硅"的特殊硅材料的专利授权。SiOnyx将"黑硅"实现商用化。

  专家相信它相当于60年前的半导体

  硅因为具有吸收光线,产生电流的能力,所以是制作光传感器和太阳能电池的材料。可是大约有一半的日光--红色光与大部分红外线--会径直穿过硅片,不会停留下来。

  新成立的美国西奥尼克斯公司(SiOnyx)正在制作一种新型硅材料。这种被称作"黑硅"的材料能够捕捉几乎全部日光。公司总裁斯蒂芬.塞勒说:"它就像一块吸收光的海绵,可见光和红外线都能吸收。"这种材料能够提高光的使用效率,产生的电流是传统硅材料的几百倍。西奥尼克斯公司为其在美国哈佛大学研发的这项技术申请了专利。公司表示,黑硅还可能减少光传感器的使用量,使产品更加便宜、小巧和轻便。

  塞勒说,用黑硅生产的具有超高灵敏度的光传感元件具有许多优点。在医用X光成像方面,"如果感光设备的灵敏度非常高,拍片子时就可以降低X光的放射量。"由于使用黑硅制造的光传感元件能够捕捉到及其微弱的光线,所以可以用来制造夜视镜和数码相机里的传感器。这些应用于低照明条件下的产品目前使用更昂贵的砷化镓。

  黑硅还可以用来制造红外线传元件,这将是硅的新用途。在光纤通讯、天文领域和安保系统中应用广泛的红外线传感元件目前使用砷化镓等材料制成,工艺复杂,造价昂贵,而且含有铅、汞等有毒物质。哈佛大学应用物理学教授埃里克.梅热说:"黑硅拓展了我们原先所熟知的技术,而且可以被应用在硅原先无法涉及的领域中。我坚信这是一种新材料,相当于60年前的半导体。"正是梅热在实验室发现了黑硅这种新材料。

  西奥尼克斯公司制作黑硅的方法是,把普通硅放在充满六氟化硫气体的封闭空间内,然后用飞秒激光器的强力脉冲去轰击硅。这一过程可以把硅的表面变粗糙,在上面腐蚀出无数微小的锥体。糙面厚约300纳米,里面塞入了硫原子。

  这薄薄的一层表面就能完成捕捉光线的工作。传统的硅元件使用0.5毫米厚的硅。塞勒说,黑硅元件的硅消耗量是传统元件的几百分之一,这样就能节省成本。厚度薄的元件也更便于使用在集成电路上。

  西奥尼克斯公司与哈佛大学的研究人员仍然在研究为什么同等光照下的黑硅比普通硅产生更多的电流。有理论认为这一原理叫做光电导增益。在普通硅中,每个光子会导致一个电子被释放到电流中。但是在新材料中,每个光子能导致许多电子进入电流,于是电流强度增加了两三百倍。塞勒说:"我们认为这确实是人们首次在硅中观察到光电导增益现象。"
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