Кремний, образующий однородные по своей структуре кристаллы (монокристаллы), является основой солнечных панелей, датчиков освещения и фотодетекторов для оптоволоконных линий связи. Критическую роль для таких устройств играет способность кремния поглощать падающее на него излучение и преобразовывать его в электричество: чем лучше материал поглощает свет, тем выше чувствительность устройства. Повысить эту способность можно с помощью лазерной обработки поверхности кремния, на которой в результате формируется объемный рисунок, похожий на гравировку.
Ученые из Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН описали, как поверхность монокристаллического кремния изменяется при обработке лазером. Авторы поместили кристалл в раствор метанола и подавали на образец лазерные импульсы продолжительностью в квадриллионные доли секунды (на 15 порядков меньше секунды), меняя при этом количество импульсов, попадающих на каждый квадратный микрометр (миллионная доля квадратного метра) поверхности от пяти до пятидесяти.
Эксперимент показал, что при небольшом количестве импульсов на поверхности кристалла создаются объемные наноструктуры, которые формируют рисунок из параллельных выпуклых полос. При этом, когда на каждый квадратный микрометр кремния подается 25-30 лазерных импульсов, «узор» из полос превращается в «лабиринт» из выпуклостей неправильной формы. По мнению ученых, такой эффект связан с тем, что при интенсивной обработке материал нагревается и частично плавится, из-за чего структура поверхности меняется.
«Мы несколько изменили принятую научным сообществом методику лазерной обработки: мы провели ее, когда материал находился не в воздушной среде, а в жидкой – метаноле. Это позволило предотвратить окисление кремния кислородом, избежать попадания какого-либо мусора на поверхность материала, а также сформировать регулярные и плотные наноструктуры», – цитирует Российский научный фонд Сергея Сюбаева, младшего научного сотрудника Института автоматики и процессов управления ДВО РАН
Авторы также выяснили, как меняется «узор» на поверхности кристалла в зависимости от поляризации лазерного луча – характеристики, которая отражает, как векторы (направления распространения) электрического и магнитного полей световой волны ориентированы в пространстве. Например, если колебания вектора электрического поля происходят в какой-то одной плоскости, то лазер может формировать на поверхности как параллельные линии, так и шарообразные структуры. Когда же вектор электрического поля вращается в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, на поверхности кристалла формируются только шарообразные выпуклости. Наконец, когда изменяется поляризация, колебания вектора электрического поля становятся перпендикулярными по отношению к оси светового луча, а лазерный пучок – похожим на бублик: при обработке им поверхности получаются наноструктуры, внешне напоминающие колосок пшеницы.
Исследователи оценили способность полученных образцов поглощать свет. Оказалось, что все «узоры» отражали, то есть «теряли» не более 5% света. Чтобы на практике доказать, что монокристаллический кремний после лазерной обработки более чувствителен к свету, чем исходные образцы, авторы сконструировали на их основе фотодетектор. Выяснилось, что чувствительность устройства к инфракрасному излучению вдвое превышает аналогичный показатель у детектора с обычным кристаллом кремния.
Источник: Ассоциация «Глобальная энергия»