Sərbəst iş №1 Nanotexnologiya və onun inkişaf prespektivləri

Sərbəst iş №9
Məsaməli Silisium
Elektronikanın əsas materialı olan silisium, nanometr ölçülü struktur (quruluş) elementlərinə malikdir ki, bu da nanoelektron və opto¬elektron ci¬hazlarının yaradılması üçün əlverişlidir. Silisium nanoquruluşları əsasən kvant naqillərindən və kvant nöqtələrindən ibarət olur ki, bunlar da məsasəmli silisiumda yaranır. Məsaməli dedikdə materialın boşluq¬larla (məsa¬mələrlə) olan həcmi hissəsi nəzərdə tutulur. Məsaməli silisium, nmono¬kristal silisiumun flüorid turşusu (HF) əsasında hazırlanmış maye elektrolit qarışığında lokal anod elektrokimyəvi həlledilməsi texnologiyası ilə yaradılır. Belə sili¬siumun çox əhə¬miyyətli fiziki və kimyəvi xassələri var. Bu xassələr mat¬ris kristalda yaranan sıx tor şəkilli nanoölçülü məsasmələrlə əlaqələndirilir. Məsaməli silisiumun nanoquruluşlarındakı kvant məhdudiyyətləri və səth effekt¬ləri, monokristal si¬lisiumdan fərqli olaraq, bu materialı düzzonalı yarımkerici edir. Bunun nəticə¬sində materialın foto- və elektrolüminisent xassələri güclənir (intensivləşir). Bu baxımdan məsaməli silisium işıqsaçan (şüaburaxan) cihazların hazırlınması üçün səmərəli bir materiala çevrilir. Elektron texnika-sının tanınmış materialları olan SiC, GaAs, GaP, InP birləşmələrində də məsa-məli quruluş yarat¬maq olur, lakin bu materiallarda məsaməli silisiumda olan faydalı nanoquruluş effektləri olmur.
Monokristal silisiumu elektrokimyəvi üsulla emal edib ondan məsaməli silisium yaradılması qurğusu kimyəvi təsirlərə qarşı davamlı materialdan (tef-londan) hazırlanmış vannadan ibarətdir ki, onun da içərisi HF məhlulu ilə dol-du¬rulur. Məhlulun içərisində, həmçinin, anod və katod elektrodları və prosesin səmərəli olması üçün xüsusi qarışdırıcı yerləşdirilir (şəkil 1).
Elektrokimyəvi həllolmanı (emalı) təmin etmək üçün monokristal sili¬sium lövhəsinə platindən olan elektroda (katoda) nisbətən müsbət potensial tətbiq edilir. Elektrokimyəvi emal müəyyən sıxlıqlı anod cərəyanında aparılır ki, bu-nun nəticə¬sində də lazımi məsaməlilik əldə edilir. Proses zamanı anod cərəyanının sıxlığına görə yaranan məsaməli təbəqənin qalınlığı tənzimlənir.

Məsasəmli silisium yaratmaq üçün elektrokimyəvi anodlaşdırma qurğusu

Əgər, silisium lövhələri xüssui elektirkkeçirən sıxaclara bərkidilib elektrolit qarışığında yerləşdirilərsə, məsamə¬lər lövhələrin hər iki tərəfində yarancaq. Bu zaman, cərə¬yan sıxlığı lövhənin səthində qeyri-bərabər paylanacaqdır. Silisium lövhəsinin daxilində (həc¬min¬də) gərginliyin rezistiv düşməsi nəticəsində lövhənin elektrolitin dərin¬liyində olan hissəsində elektrik potensialı kiçik olur. Nəticədə, silisium lövhə¬lərinin üst hissəsindən alt (aşağı) hissəsinə doğru anod cərəyanının sıx¬lığı azalacaq və alınan məsaməli silisiumun xassələri bircins (sabit) olma¬ya¬caq. Bu hadisə zəif aşqarlanan yüksəkomlu silisiumda daha çox müşahidə edilir. Şə¬kil 1-dən göründüyü kimi, elektrolit mayesi ilə monokristal silisium löv¬həsinin yalnız bir səthi təmasda olur. Silisium lövhəsinin digər səthi isə metal, yaxud qrafitdən olan cərəyankeçiriən kontakta sıxılır. Aşağı müqavimətli silisium lövhələrinin (xüsusi müqaviməti bir neçə mOmsm-dən kiçik) elek¬trolitlə təmasda olan səthində asanlıqla bircinsli məsaməli təbəqə yaranır, yəni belə silisium lövhələrinin cərəyan¬keçirən səthini əlavə emal etmək lazım olmur. Yüksək müqavimətli silisium lövhə¬lə¬rinin anodla kontaktda olan səthinə ya nazik metal təbəqə çəkilməlidir, ya da bu səth aşqarlanmalıdır ki, cərəyanı yaxşı və bərabər keçirsin. Məsaməli təbəqənin bircinsliliyinə elektrolit mayesinin məcburi qarışdırılması da göstərir. Belə qarışdırma silisiumun səthindən reaksiyanın qaz¬şəkilli qabarcıq məhsullarının ayrılmasına səbəb olur.
HF əsaslı elektrolitdə silisiumun lokal elektrokimyəvi həllolması üçün kimyəvi çevrilmə reaksiyaları onlarda deşik (h+) – elektron (e-) mübadiləsinin iştirakını nəzərdə tutur. Bu zaman kimyəvi reaksiyalar aşağıdakı sxem üzrə gedir׃
Si + 2HF + ℓh⁺  SiF₂ + 2H⁺ + (2 – ℓ)e^-
SiF₂ + 2HF  SiF₄ + H₂
SiF­₄ + 2HF  SiH₂F₆
burada, ℓ – prosesin hər bir mərhələsində mübadilədə iştirak edən elementar yüklərin miqdarıdır. Silisiumun həllolması üçün reaksiya baş verən zonada HF mayesinin molekulları və silisiumda deşiklərin olması lazımdır. Silisiumda lazımi miqdarda yükdaşıyıcıların (elektron və deşiklərin) olması üçün anod-laşdırma zamanı silisium lövhəsinin səthi işıqlandırılır. Belə işıqlandırılma n-tip silisiumdan və zəif aşqarlanmış (aşqarların konsentrasiyası 1018 sm-3 -dən az olan) p-tip silisiumdan istifadə edildikdə daha vacibdir. Reaksiyanın əsas məhsulları qaz şəkilli hid¬rogen molekulları və həll olan SiH2F6 birləşməsi sayılır. Anodlaşdırma HF-in təmiz su ilə olan məhlulunda aparıldıqda hidrogen qabarcıqları silisiumun səthinə yapışır. Bu da alınan məsaməli silisium qatının qalınlığına və bircinsliyinə təsir göstərir. Bu səbəbdən elektrolit mayesinə isladıcı maddələrin daxil edil¬məsi tələb olunur. Belə isladırıcılardan biri təmiz etanoldur ki, onu da elektrolitə 15% konsentrasiyasına qəbər əlavə etmək lazımdır. Digər yaxşı isladıcı maddə sirkə turşusudur (CH3 – COOH), onun az miqdarda elektrolitə əlavə edilməsi, həm silisium lövhəsinin səthindəki qabar-cıqları yox edir, həm də elektrolitin pH dərəcəsini tənzimləyir.
Yaranan məsaməli layın xassələri (məsaməlilik, qalınlıq, məsamənin ölçüsü və struktur quruluşu) istifadə edilən silisium lövhələrinin öz xassələrindən və anod¬laş¬dırma şəraitindən asılıdır. Silisiumun təsiredici xassələri onun xüsusi müqavi¬mə¬ti, kristalloqrafik istiqaməti, keçiriciliyin tipi və s. sayılır. Anodlaşdırma şəraitinə isə, elektrolitdə HF-in konsentrasiyası, elektrolitin pH dərəcəsi, elektrolitdə digər birləşmələrin mövcudluğu, prosesin aparılma temperaturu, anod cərəya¬nının sıxlığı, səthin işıqlandırılması, elektrolitin qarışdırılması, anodlaşdırma prosesinin müddəti kimi fıaktorlar daxildir. Göstərilən təsiredici amillərdən asılı olaraq, məsaməli lay (məsa¬mələr özləri) aşağıdakı üç növ quruluşdan biri formasında yarana bilər:
1. nizamlı və əlaqəsiz silindrəbənzər quruluşlu məsamələr (cylinder-like structure);
2. kvazinizamlı (şaxələnmiş) ağacabənzər quruluşlu məsamələr (tree-like structure);
3. xaotik paylanan torşəkilli quruluşla malik məsamələr (sponge-like structure).
2-ci və 3-cü növ quruluşla malik məsaməli silisiumun tipik morfologiyası şəkil 2-də verilmişdir.

silisiumun tipik morfologiyası׃ a- ağacabənzər; b- torşəkilli.

Silindr şəkilli quruluş adətən, hər iki növ keçiriciliyə malik zəif aşqarlan¬mış silisiumun qaranlıqda (işıqlandırılma olmadan) anodlaşrılıması zamanı əmələ gəlir. Belə quruluşun məsaməliliyi 10%-dən az şaxələnmə dərəcəsi isə kiçikdir.
Ağac şəkilli quruluş diametri 10 nm olan səthə perpendikulyar uzun boşluq¬lar şəklində yaranır. Belə quruluş keçiricilik tipindən asılı olmayaraq, güclü aşqarlanan, yəni xüsusi müqaviməti çox kiçik olan (0,05 Om*sm) silisiumda əmələ gəlir ki, burada da məsaməlilik 60%-ə çatır. Zəif aşqarlanan silisiumda səthin işıqlandırıl¬ma¬sından sonra ölçüsü 2-4 nm olan məsamələr yaranır. Kristalloqrafik istiqamətlənmə məsaməli təbəqənin morfologiyasına ancaq n-tip monokristal silisiumda təsir edir. Bütün digər hallarda eyni keçiricilik tipinə malik və əsas yükdaşıyıcıların eyni konsentrasiyasında amorf, polikristal və monokristal silisiumdan alınmış məsaməli materiallar eyni xassəyə malik olur.