Црн силикон

Црниот силикон е полупроводнички материјал, површинска модификација на силикон со многу мала рефлексивност и соодветно висока апсорпција на видлива (и инфрацрвена ) светлина.

Модификацијата била откриена во 1980-тите како несакан несакан ефект на реактивно јонско гравирање (RIE).  Други методи за формирање на сссссссссслична структура вклучуваат  електрохемиски офорт, офорт со дамки, хемиско офортување со помош на метал и ласерски третман.

Црниот силикон станал главна предност за соларната поголемапоголема ефикасност на конверзија на светлина во електрична енергија  на стандардните соларни ќелии од кристален силикон, што значително ги намалува нивните трошоци.

 Својства 
мини| Скенирање на електронска микрографија на црн силициум, произведен од RIE (процес ASE)
мини| SEM микрографија на црн силикон формиран од криоген RIE. Забележете ги мазните, наклонети површини, за разлика од брановидните странични ѕидови добиени со Bosch process RIE.
Црниот силикон е површинска структура во облик на игла каде што иглите се направени од еднокристален силикон и имаат висина над 10микрометри и дијаметар помал од 1микрометри.  Неговата главна карактеристика е зголемената апсорпција на упадната светлина - високата рефлексивност на силиконот, која обично е 20-30% за квази-нормална инциденца, е намалена на околу 5%. Ова се должи на формирањето на таканаречениот ефективен медиум  од иглите. Во овој медиум, нема остар интерфејс, туку континуирана промена на индексот на рефракција што ја намалува рефлексијата на Френел. Кога длабочината на степенуваниот слој е приближно еднаква на брановата должина на светлината во силикон (околу една четвртина од брановата должина во вакуум), рефлексијата се намалува на 5%; подлабоките оценки произведуваат уште поцрн силициум.  За ниска рефлексивност, карактеристиките на нано размерите што го произведуваат индексниот слој мора да бидат помали од брановата должина на упадната светлина за да се избегне расејување.
мини| SEM фотографија од црн силикон со коси нанокони, произведена од RIE со кос агол.

 Апликации 
Необичните оптички карактеристики во комбинација со полупроводничките својства на силициумот го прават овој материјал интересен за апликациии со сензори. Потенцијалните апликации вклучуваат:

 Сликозафатник со зголемена чувствителност
 Термички камери
 Фотоќелија со висока ефикасност преку зголемена апсорпција.   
 Механички контакти и интерфејси Black Silicon as a functional layer of the micro-system technology
 Терахерц апликации. Cheng-Hsien Liu: Formation of Silicon nanopores and Nanopillars by a Maskless Deep Reactive Ion Etching Process , 11 November 2008  
 Сончева плоча   
 Антибактериски површини кои работат со физичко пукање на клеточните мембрани на бактериите.
 Раманова спектроскопија подобрена површинска
 Полупроводнички хемиски или гасни сензори          
 Добивање на метални нечистотии

 Производство 

 Реактивно-јонско гравирање 
мини| Скенирање на електронска микрографија на црн силициум, произведен од RIE (процес ASE)
Во технологијата на полупроводници, офорт со реактивни јони (RIE) е стандардна процедура за производство на ровови и дупки со длабочина до неколку стотици микрометри и многу високи сооодноси. Во Bosch-процесот RIE, ова се постигнува со постојано префрлање помеѓу офорт и пасивација. Со криогениот RIE, ниската температура и кислородниот гас ја постигнуваат оваа странична пасивација со формирање на , лесно се отстранува од дното со насочени јони. Двата методи RIE можат да произведат црн силикон, но морфологијата на добиената структура значително се разликува. Префрлањето помеѓу офорт и пасивирање на Бош-процесот создава брановидни странични ѕидови, кои се видливи и на црниот силикон формиран на овој начин.

За време на офорт, сепак, мали остатоци остануваат на подлогата; тие го маскираат јонскиот зрак и произведуваат структури кои не се отстранети и во следните чекори на офорт и пасивација резултираат со високи силиконски столбови.Mike Stubenrauch, Martin Hoffmann, Siliziumtiefätzen (DRIE), 2006 Процесот може да се постави така што на површина од еден квадратен милиметар се формираат милион игли.Martin Schaefer: Velcro in miniature – "silicon grass holds together micro-components"  In: wissenschaft.de. 21 June 2006.

 Мазуровиот метод 
Во 1999 година, група од Универзитетот Харвард, предводена од Ерик Мазур, разви процес во кој црн силикон се произведува со зрачење на силикон со фемтосекунда ласерски импулси.William J. Cromie arises:Black Silicon, A New Way To Trap Light .In:Harvard Gazette.9 December 1999, accessed on 16 February 2009. По зрачењето во присуство на гас што содржи сулфур хексафлуорид и други допанти, површината на силиконот развива самоорганизирана микроскопска структура од конуси со големина на микрометар. Добиениот материјал има многу извонредни својства, како што е апсорпцијата што се протега до опсегот на инфрацрвени зраци, под јазот на појасот на силиконнот, вклучувајќи ги и брановите должини за кои обичниот силикон е проѕирен. Атомите на сулфур се присилуваат на површината на силиконот, создавајќи структура со помал јаз на лентата и затоа способност да апсорбира подолги бранови должини.
мини| Црн силикон изработен без специјален гас амбиентално – лабораторија LP3- CNRS
Слична модификација на површината може да се постигне во вакуум користејќи ист тип на ласерски и ласерски услови за обработка. Во овој случај, на поединечните силиконски конуси им недостасуваат остри врвови (види слика). Рефлексивноста на таква микроструктурирана површина е многу мала, 3-14% во спектралниот опсег 350-1150нм. За ваквото намалување на рефлексивноста придонесува конусната геометрија, која ги зголемува светлосните внатрешни рефлексии меѓу нив. Оттука, можноста за апсорпција на светлина е зголемена. Добивката во апсорпцијата постигната со ласерска текстуризација била супериорна од онаа постигната со користење на метод на алкална хемиска офорт, што е стандарден индустриски пристап за текстура на површината на моно-кристални силиконски наполитанки во производството на соларни ќелии. Таквата модификација на површината е независна од локалната кристална ориентација. Може да се постигне еднообразен ефект на текстура низ површината на повеќекристален силиконски нафора. Многу стрмните агли го намалуваат одразот на близу нула, а исто така ја зголемуваат веројатноста за рекомбинација, спречувајќи го да се користи во соларни ќелии.

 Нанопори 
Кога мешавина од бакар нитрат, фосфорна киселина, водород флуорид и вода се нанесува на силициумска обланда, редукцијата на фосфорната киселина ги намалува бакарните јони во бакарни наночестички. Наночестичките привлекуваат електрони од површината на обландата, оксидирајќи ја и дозволувајќи му на водородниот флуорид да согорува превртени нанопори во облик на пирамида во силиконот. Процесот создал пори дури 590nm кои пропуштаат повеќе од 99% од светлината.

 Хемиски офорт 
Црниот силикон, исто така, може да се произведе со хемиски офорт користејќи процес наречен хемиско офортување со помош на метал ( MACE ).   

 Функција 
Кога материјалот е пристрасен од мал електричен напон, апсорбираните фотони можат да возбудат десетици електрони . Чувствителноста на детекторите на црниот силикон е 100-500 пати поголема од онаа на нетретираниот силициум (конвенционален силикон), и во видливиот и во инфрацрвениот спектра. 

Група од Националната лабораторија за обновлива енергија објавила црни силиконски соларни ќелии со 18,2% ефикасност. Оваа црна силиконска антирефлективна површина била формирана со процес на офорт со помош на метал, користејќи нано честички од сребро. Во мај 2015 година, истражувачите од финскиот универзитет Алто, кои работеле со истражувачите од Универзитетот во Каталонија, објавиле дека создале црни силиконски соларни ќелии со ефикасност од 22,1%  со примена на тенок пасивирачки филм на наноструктурите, со интеграција на атомскиот слој од страната на целиот контакт на ќелијата.

Тим предводен од Елена Иванова од Технолошкиот универзитет Свинбурн во Мелбурн во 2012 година откриле дека крилата на цикадата се моќни убијци на <i id="mwAUs">Pseudomonas aeruginosa</i>, опортунистички микроб кој исто така ги инфицира луѓето и станува отпорен на антибиотици. Ефектот дошол од редовно распоредени „наностолбови“ на кои бактериите биле исечени на парчиња додека се таложеле на површината.

И крилата на цикадата и црниот силикон биле ставени низ нивните  чекори во лабораторија, и двете биле бактерицидни. Мазни на човечки допир, површините ги уништиле грам-негативните и грам-позитивните бактерии, како и бактериските спори.

Трите таргетирани бактериски видови биле, P. aeruginosa, Staphylococcus aureus и Bacillus subtilis, широк опсег на почвен микроб кој е братучед на антракс.

Стапката на убивање била 450.000 бактерии на квадратен сантиметар во минута во првите три часа од изложувањето или 810 пати повеќе од минималната доза потребна за инфицирање на лице со S. aureus и 77.400 пати поголема од онаа на P. aeruginosa. Меѓутоа, подоцна се докажало дека протоколот за квантификација на тимот на Иванова не бил соодветен за вакви антибактериски површини.

Група предводена од Гагик Ајвазјан од Националниот политехнички универзитет на Ерменија во Ереван во 2023 година покажал дека нанотекстурите слични на игла обезбедуваат изводливо решение за управување со светлината за соларни ќелии со тандем перовскит/силикон.  Црниот силиконски меѓу слој ја подобрува апсорпцијата на светлината во долната силиконска соларна под-ќелија.

 Поврзано 

 Квантна ефикасност на соларна ќелија
 Соласис
 Универзитетот во Висконсин-Медисон. Материјалот „Стелт“ ги крие жешките предмети од инфрацрвените очи“. ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2018/06/180622174752.htm (пристапено на 23 јуни 2018 година).

 Наводи 

 Надворешни врски 

 SiOnyx го носи „црниот силикон“ на светлина
 Статија на Њујорк Тајмс (потребна е претплата на NYT)
 Почетна страница на SiOnyx
 Ласери за фотоволтаици – База на знаење

 Ласерите ја подобруваат ефикасноста на PV
 Ласери, Plasmas et Procédés Photoniques – Recherche – Structuration du silicium : Апликација au Photovoltaïque (на француски) 
Категорија:Полуспроводници од IV група
Категорија:Силиконски соларни ќелии
Категорија:Инфрацрвени соларни ќелии