একটি বৈপ্লবিক নতুন উপাদান – কালো সিলিকন

একটি বৈপ্লবিক নতুন উপাদান – কালো সিলিকন

ব্ল্যাক সিলিকন হলো চমৎকার অপটোইলেকট্রনিক বৈশিষ্ট্যসম্পন্ন এক নতুন ধরনের সিলিকন উপাদান। এই প্রবন্ধে সাম্প্রতিক বছরগুলোতে এরিক মাজুর এবং অন্যান্য গবেষকদের ব্ল্যাক সিলিকন বিষয়ক গবেষণাকর্মের সারসংক্ষেপ তুলে ধরা হয়েছে। এতে ব্ল্যাক সিলিকনের প্রস্তুতি ও গঠন প্রক্রিয়া, সেইসাথে এর শোষণ, প্রতিপ্রভা, ক্ষেত্র নিঃসরণ এবং বর্ণালী প্রতিক্রিয়ার মতো বৈশিষ্ট্যগুলো বিস্তারিতভাবে বর্ণনা করা হয়েছে। এছাড়াও ইনফ্রারেড ডিটেক্টর, সৌর কোষ এবং ফ্ল্যাট-প্যানেল ডিসপ্লেতে ব্ল্যাক সিলিকনের গুরুত্বপূর্ণ সম্ভাব্য প্রয়োগগুলোর দিকেও ইঙ্গিত করা হয়েছে।
স্ফটিকাকার সিলিকন এর সহজ পরিশোধন, সহজ ডোপিং এবং উচ্চ-তাপমাত্রা প্রতিরোধের মতো সুবিধার কারণে সেমিকন্ডাক্টর শিল্পে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়। তবে, এর অনেক অসুবিধাও রয়েছে, যেমন এর পৃষ্ঠে দৃশ্যমান এবং অবলোহিত আলোর উচ্চ প্রতিফলন ক্ষমতা। অধিকন্তু, এর বৃহৎ ব্যান্ড গ্যাপের কারণে,স্ফটিক সিলিকনসিলিকন ডিটেক্টর ১১০০ ন্যানোমিটারের বেশি তরঙ্গদৈর্ঘ্যের আলো শোষণ করতে পারে না। যখন আপতিত আলোর তরঙ্গদৈর্ঘ্য ১১০০ ন্যানোমিটারের বেশি হয়, তখন সিলিকন ডিটেক্টরের শোষণ এবং সাড়া দেওয়ার হার ব্যাপকভাবে হ্রাস পায়। এই তরঙ্গদৈর্ঘ্যগুলো শনাক্ত করার জন্য জার্মেনিয়াম এবং ইন্ডিয়াম গ্যালিয়াম আর্সেনাইডের মতো অন্যান্য পদার্থ ব্যবহার করতে হয়। তবে, এর উচ্চ মূল্য, দুর্বল তাপগতিবিদ্যাগত বৈশিষ্ট্য ও স্ফটিকের গুণমান এবং প্রচলিত উন্নত সিলিকন প্রক্রিয়ার সাথে অসামঞ্জস্যতা সিলিকন-ভিত্তিক ডিভাইসগুলোতে এর প্রয়োগকে সীমিত করে। তাই, স্ফটিকাকার সিলিকন পৃষ্ঠের প্রতিফলন কমানো এবং সিলিকন-ভিত্তিক ও সিলিকন-উপযোগী ফটোডিটেক্টরের শনাক্তকরণ তরঙ্গদৈর্ঘ্যের পরিসর বাড়ানো একটি গুরুত্বপূর্ণ গবেষণার বিষয় হয়ে রয়েছে।

ক্রিস্টালাইন সিলিকন পৃষ্ঠের প্রতিফলন কমাতে অনেক পরীক্ষামূলক পদ্ধতি ও কৌশল ব্যবহার করা হয়েছে, যেমন ফটোলিথোগ্রাফি, রিঅ্যাক্টিভ আয়ন এচিং এবং ইলেক্ট্রোকেমিক্যাল এচিং। এই কৌশলগুলি ক্রিস্টালাইন সিলিকনের পৃষ্ঠ এবং পৃষ্ঠের নিকটবর্তী গঠনকে কিছুটা পরিবর্তন করতে পারে, যার ফলে প্রতিফলন হ্রাস পায়।সিলিকন পৃষ্ঠীয় প্রতিফলন। দৃশ্যমান আলোর পরিসরে, প্রতিফলন কমালে শোষণ বৃদ্ধি পায় এবং ডিভাইসের কার্যকারিতা উন্নত হয়। তবে, ১১০০ ন্যানোমিটারের বেশি তরঙ্গদৈর্ঘ্যে, যদি সিলিকন ব্যান্ড গ্যাপে কোনো শোষণ শক্তি স্তর অন্তর্ভুক্ত না করা হয়, তাহলে প্রতিফলন কমালে কেবল সঞ্চালনই বৃদ্ধি পায়, কারণ সিলিকনের ব্যান্ড গ্যাপই শেষ পর্যন্ত দীর্ঘ-তরঙ্গদৈর্ঘ্যের আলোর শোষণকে সীমাবদ্ধ করে। তাই, সিলিকন-ভিত্তিক এবং সিলিকন-উপযোগী ডিভাইসগুলোর সংবেদনশীল তরঙ্গদৈর্ঘ্যের পরিসর বাড়ানোর জন্য, ব্যান্ড গ্যাপের মধ্যে ফোটন শোষণ বৃদ্ধি করার পাশাপাশি সিলিকন পৃষ্ঠের প্রতিফলন কমানো প্রয়োজন।

১৯৯০-এর দশকের শেষের দিকে, হার্ভার্ড বিশ্ববিদ্যালয়ের অধ্যাপক এরিক মাজুর এবং অন্যান্যরা পদার্থের সাথে ফেমটোসেকেন্ড লেজারের মিথস্ক্রিয়া নিয়ে গবেষণা করার সময় ব্ল্যাক সিলিকন নামক একটি নতুন উপাদান আবিষ্কার করেন, যা চিত্র ১-এ দেখানো হয়েছে। ব্ল্যাক সিলিকনের আলোক-বৈদ্যুতিক বৈশিষ্ট্য নিয়ে গবেষণা করার সময়, এরিক মাজুর এবং তার সহকর্মীরা অবাক হয়ে আবিষ্কার করেন যে এই মাইক্রোস্ট্রাকচার্ড সিলিকন উপাদানটির অনন্য আলোক-বৈদ্যুতিক বৈশিষ্ট্য রয়েছে। এটি নিকট-অতিবেগুনি এবং নিকট-অবলোহিত পরিসরের (০.২৫–২.৫ μm) প্রায় সমস্ত আলো শোষণ করে, চমৎকার দৃশ্যমান ও নিকট-অবলোহিত আলোক-প্রক্ষেপণ বৈশিষ্ট্য এবং ভালো ফিল্ড এমিশন বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে। এই আবিষ্কার সেমিকন্ডাক্টর শিল্পে আলোড়ন সৃষ্টি করে এবং প্রধান প্রধান ম্যাগাজিনগুলো এটি নিয়ে প্রতিবেদন প্রকাশের জন্য প্রতিযোগিতা শুরু করে। ১৯৯৯ সালে সায়েন্টিফিক আমেরিকান এবং ডিসকভার ম্যাগাজিন, ২০০০ সালে লস অ্যাঞ্জেলেস টাইমস-এর বিজ্ঞান বিভাগ এবং ২০০১ সালে নিউ সায়েন্টিস্ট ম্যাগাজিন—সবাই ব্ল্যাক সিলিকনের আবিষ্কার এবং এর সম্ভাব্য প্রয়োগ নিয়ে ফিচার আর্টিকেল প্রকাশ করে। তারা বিশ্বাস করত যে রিমোট সেন্সিং, অপটিক্যাল কমিউনিকেশন এবং মাইক্রোইলেকট্রনিক্সের মতো ক্ষেত্রে এর উল্লেখযোগ্য সম্ভাবনা রয়েছে।

বর্তমানে, ফ্রান্সের টি. সামেট, আয়ারল্যান্ডের অ্যানোইফ এম. মোলোনি, চীনের ফুদান বিশ্ববিদ্যালয়ের ঝাও লি এবং চাইনিজ একাডেমি অফ সায়েন্সেসের মেন হাইনিং সকলেই ব্ল্যাক সিলিকনের উপর ব্যাপক গবেষণা করেছেন এবং প্রাথমিক ফলাফল অর্জন করেছেন। মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের ম্যাসাচুসেটসের একটি কোম্পানি, SiOnyx, অন্যান্য কোম্পানির জন্য একটি প্রযুক্তি উন্নয়ন প্ল্যাটফর্ম হিসেবে কাজ করার জন্য ভেঞ্চার ক্যাপিটাল হিসেবে ১১ মিলিয়ন ডলার সংগ্রহ করেছে এবং সেন্সর-ভিত্তিক ব্ল্যাক সিলিকন ওয়েফারের বাণিজ্যিক উৎপাদন শুরু করেছে, যা পরবর্তী প্রজন্মের ইনফ্রারেড ইমেজিং সিস্টেমে ব্যবহৃত হবে। SiOnyx-এর সিইও স্টিফেন সেলার বলেছেন যে, ব্ল্যাক সিলিকন প্রযুক্তির স্বল্প ব্যয় এবং উচ্চ সংবেদনশীলতার সুবিধা গবেষণা এবং মেডিকেল ইমেজিং বাজারের প্রতি মনোযোগী কোম্পানিগুলোর দৃষ্টি আকর্ষণ করবে। ভবিষ্যতে, এটি এমনকি বহু-বিলিয়ন ডলারের ডিজিটাল ক্যামেরা এবং ক্যামকর্ডার বাজারেও প্রবেশ করতে পারে। SiOnyx বর্তমানে ব্ল্যাক সিলিকনের ফটোভোল্টাইক বৈশিষ্ট্য নিয়েও পরীক্ষা-নিরীক্ষা করছে, এবং এটি অত্যন্ত সম্ভাবনাময় যেকালো সিলিকনভবিষ্যতে সৌর কোষে ব্যবহৃত হবে। ১. কালো সিলিকনের গঠন প্রক্রিয়া

১.১ প্রস্তুতি প্রক্রিয়া

একক-স্ফটিক সিলিকন ওয়েফারগুলিকে পর্যায়ক্রমে ট্রাইক্লোরোইথিলিন, অ্যাসিটোন এবং মিথানল দিয়ে পরিষ্কার করা হয় এবং তারপর একটি ভ্যাকুয়াম চেম্বারে ত্রিমাত্রিকভাবে সচল টার্গেট স্টেজের উপর রাখা হয়। ভ্যাকুয়াম চেম্বারের ভিত্তি চাপ 1.3 × 10⁻² Pa-এর চেয়ে কম। কার্যকারী গ্যাস হিসেবে SF₆, Cl₂, N₂, বায়ু, H₂S, H₂, SiH₄ ইত্যাদি ব্যবহার করা যেতে পারে, যার কার্যকারী চাপ 6.7 × 10⁴ Pa। বিকল্পভাবে, একটি ভ্যাকুয়াম পরিবেশ ব্যবহার করা যেতে পারে, অথবা ভ্যাকুয়ামের মধ্যে সিলিকন পৃষ্ঠের উপর S, Se, বা Te-এর মৌলিক পাউডারের প্রলেপ দেওয়া যেতে পারে। টার্গেট স্টেজটিকে জলে ডুবিয়েও রাখা যেতে পারে। একটি Ti:sapphire লেজার রিজেনারেটিভ অ্যামপ্লিফায়ার দ্বারা উৎপন্ন ফেমটোসেকেন্ড পালস (৮০০ nm, ১০০ fs, ৫০০ μJ, ১ kHz) একটি লেন্স দ্বারা ফোকাস করা হয় এবং সিলিকন পৃষ্ঠের উপর লম্বভাবে বিকিরণ করা হয় (লেজারের আউটপুট শক্তি একটি অ্যাটেনিউয়েটর দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয়, যা একটি হাফ-ওয়েভ প্লেট এবং একটি পোলারাইজার নিয়ে গঠিত)। টার্গেট স্টেজকে সরিয়ে লেজার স্পট দিয়ে সিলিকন পৃষ্ঠ স্ক্যান করার মাধ্যমে বৃহৎ-ক্ষেত্রফল বিশিষ্ট ব্ল্যাক সিলিকন উপাদান পাওয়া যায়। লেন্স এবং সিলিকন ওয়েফারের মধ্যবর্তী দূরত্ব পরিবর্তন করে সিলিকন পৃষ্ঠে বিকিরিত আলোক স্পটের আকার সামঞ্জস্য করা যায়, যার ফলে লেজার ফ্লুয়েন্স পরিবর্তিত হয়; যখন স্পটের আকার স্থির থাকে, তখন টার্গেট স্টেজের চলনের গতি পরিবর্তন করে সিলিকন পৃষ্ঠের একক ক্ষেত্রফলে বিকিরিত পালসের সংখ্যা সামঞ্জস্য করা যায়। কার্যকারী গ্যাস সিলিকন পৃষ্ঠের মাইক্রোস্ট্রাকচারের আকৃতিকে উল্লেখযোগ্যভাবে প্রভাবিত করে। যখন কার্যকারী গ্যাস স্থির থাকে, তখন লেজার ফ্লুয়েন্স এবং প্রতি একক ক্ষেত্রফলে প্রাপ্ত স্পন্দনের সংখ্যা পরিবর্তনের মাধ্যমে ক্ষুদ্র কাঠামোর উচ্চতা, আকৃতি অনুপাত এবং ব্যবধান নিয়ন্ত্রণ করা যায়।

১.২ আণুবীক্ষণিক বৈশিষ্ট্য

ফেমটোসেকেন্ড লেজার বিকিরণের পর, মূলত মসৃণ ক্রিস্টালাইন সিলিকন পৃষ্ঠে প্রায়-নিয়মিতভাবে সাজানো ক্ষুদ্র শঙ্কু আকৃতির কাঠামোর একটি বিন্যাস দেখা যায়। শঙ্কুগুলোর শীর্ষভাগ পার্শ্ববর্তী অ-বিকিরিত সিলিকন পৃষ্ঠের সমতলে থাকে। শঙ্কু আকৃতির কাঠামোর আকৃতি কার্যকারী গ্যাসের সাথে সম্পর্কিত, যেমনটি চিত্র ২-এ দেখানো হয়েছে, যেখানে (ক), (খ), এবং (গ)-তে প্রদর্শিত শঙ্কু আকৃতির কাঠামোগুলো যথাক্রমে SF₆, S, এবং N₂ পরিবেশে গঠিত হয়েছে। তবে, শঙ্কুগুলোর শীর্ষভাগের দিক গ্যাসের উপর নির্ভরশীল নয় এবং এটি সর্বদা লেজার আপতনের দিকে নির্দেশ করে, যা মাধ্যাকর্ষণ দ্বারা প্রভাবিত হয় না এবং এটি ক্রিস্টালাইন সিলিকনের ডোপিংয়ের ধরন, রোধাঙ্ক এবং ক্রিস্টাল ওরিয়েন্টেশনের উপরও নির্ভরশীল নয়; শঙ্কুগুলোর ভিত্তি অপ্রতিসম, যার ক্ষুদ্র অক্ষ লেজার পোলারাইজেশনের দিকের সমান্তরাল। বাতাসে গঠিত শঙ্কু আকৃতির কাঠামোগুলো সবচেয়ে অমসৃণ হয় এবং এদের পৃষ্ঠ ১০-১০০ ন্যানোমিটারের আরও সূক্ষ্ম ডেনড্রাইটিক ন্যানোকাঠামো দ্বারা আবৃত থাকে।

লেজার ফ্লুয়েন্স যত বেশি এবং পালসের সংখ্যা যত বেশি হয়, শঙ্কু আকৃতির কাঠামোগুলো তত লম্বা ও চওড়া হয়। SF6 গ্যাসে, শঙ্কু আকৃতির কাঠামোগুলোর উচ্চতা h এবং ব্যবধান d-এর মধ্যে একটি অরৈখিক সম্পর্ক রয়েছে, যা প্রায় h∝dp আকারে প্রকাশ করা যায়, যেখানে p=2.4±0.1; লেজার ফ্লুয়েন্স বাড়ার সাথে সাথে উচ্চতা h এবং ব্যবধান d উভয়ই উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি পায়। যখন ফ্লুয়েন্স 5 kJ/m² থেকে 10 kJ/m²-এ বৃদ্ধি পায়, তখন ব্যবধান d ৩ গুণ বৃদ্ধি পায় এবং h ও d-এর মধ্যকার সম্পর্কের সাথে মিলিয়ে উচ্চতা h ১২ গুণ বৃদ্ধি পায়।

ভ্যাকুয়ামে উচ্চ-তাপমাত্রায় অ্যানিলিং (১২০০ কেলভিন, ৩ ঘণ্টা) করার পর, শঙ্কু আকৃতির কাঠামোসমূহকালো সিলিকনউল্লেখযোগ্যভাবে পরিবর্তিত হয়নি, কিন্তু পৃষ্ঠের উপর থাকা ১০-১০০ ন্যানোমিটার ডেনড্রাইটিক ন্যানোকাঠামো ব্যাপকভাবে হ্রাস পেয়েছিল। আয়ন চ্যানেলিং স্পেকট্রোস্কোপি দেখিয়েছে যে অ্যানিলিং-এর পর শঙ্কু আকৃতির পৃষ্ঠের বিশৃঙ্খলা কমেছে, কিন্তু এই অ্যানিলিং পরিস্থিতিতে বেশিরভাগ বিশৃঙ্খল কাঠামোর কোনো পরিবর্তন হয়নি।

১.৩ গঠন প্রক্রিয়া

বর্তমানে, কালো সিলিকনের গঠন প্রক্রিয়া স্পষ্ট নয়। তবে, এরিক মাজুর ও তার সহযোগীরা, কার্যপরিবেশের সাথে সিলিকন পৃষ্ঠের অণুসজ্জার আকৃতির পরিবর্তনের উপর ভিত্তি করে, এই ধারণা করেছেন যে উচ্চ-তীব্রতার ফেমটোসেকেন্ড লেজারের প্রভাবে গ্যাস এবং স্ফটিকাকার সিলিকন পৃষ্ঠের মধ্যে একটি রাসায়নিক বিক্রিয়া ঘটে, যা নির্দিষ্ট গ্যাসের দ্বারা সিলিকন পৃষ্ঠকে ক্ষয় করে এবং তীক্ষ্ণ শঙ্কু তৈরি করে। এরিক মাজুর ও তার সহযোগীরা সিলিকন পৃষ্ঠের অণুসজ্জা গঠনের ভৌত ও রাসায়নিক প্রক্রিয়াগুলোকে নিম্নোক্ত বিষয়গুলোর সাথে সম্পর্কিত করেছেন: উচ্চ-ফ্লুয়েন্স লেজার পালসের কারণে সিলিকন সাবস্ট্রেটের গলন ও ক্ষয়; শক্তিশালী লেজার ক্ষেত্র দ্বারা উৎপন্ন সক্রিয় আয়ন ও কণার দ্বারা সিলিকন সাবস্ট্রেটের ক্ষয়; এবং সাবস্ট্রেট সিলিকনের ক্ষয়প্রাপ্ত অংশের পুনঃস্ফটিকীকরণ।

সিলিকন পৃষ্ঠের উপর শঙ্কু আকৃতির কাঠামো স্বতঃস্ফূর্তভাবে গঠিত হয়, এবং মাস্ক ছাড়াই একটি প্রায়-নিয়মিত বিন্যাস তৈরি করা যায়। এমওয়াই শেন এবং তার সহকর্মীরা একটি মাস্ক হিসাবে সিলিকন পৃষ্ঠে ২ মাইক্রোমিটার পুরু একটি ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপের তামার জাল সংযুক্ত করেন এবং তারপর এসএফ৬ (SF6) গ্যাসে থাকা সিলিকন ওয়েফারটিকে একটি ফেমটোসেকেন্ড লেজার দিয়ে বিকিরণ করেন। তারা সিলিকন পৃষ্ঠে শঙ্কু আকৃতির কাঠামোর একটি অত্যন্ত নিয়মিতভাবে বিন্যস্ত বিন্যাস লাভ করেন, যা মাস্কের নকশার সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ ছিল (চিত্র ৪ দেখুন)। মাস্কের অ্যাপারচারের আকার শঙ্কু আকৃতির কাঠামোর বিন্যাসকে উল্লেখযোগ্যভাবে প্রভাবিত করে। মাস্কের অ্যাপারচার দ্বারা আপতিত লেজারের বিচ্ছুরণ সিলিকন পৃষ্ঠে লেজার শক্তির একটি অসম বন্টন ঘটায়, যার ফলে সিলিকন পৃষ্ঠে একটি পর্যায়ক্রমিক তাপমাত্রা বন্টন তৈরি হয়। এটি শেষ পর্যন্ত সিলিকন পৃষ্ঠের কাঠামোর বিন্যাসকে নিয়মিত হতে বাধ্য করে।