Пористый кремний - Porous silicon

Для использования в других целях см. Кремний.

Пористый кремний (сокращенно «PS» или «pSi») представляет собой форму химического элемента. кремний это ввело нанопоры в его микроструктура, обеспечивая большое отношение площади к объему порядка 500 м2/см3.

История

Пористый кремний был открыт случайно в 1956 году Артуром Улиром-младшим и Ингеборгом Улиром в лаборатории. Bell Labs в США. В то время ульгиры разрабатывали технику полировки и придания формы поверхности кремния и германий. Однако было обнаружено, что при нескольких условиях на поверхности материала образовывался сырой продукт в виде толстой черной, красной или коричневой пленки. В то время результаты не получили дальнейшего развития и были упомянуты только в технических примечаниях Bell Lab.[1]

Несмотря на открытие пористого кремния в 1950-х годах, научное сообщество не интересовалось пористым кремнием до конца 1980-х годов. В то время, Ли Кэнхэм - при работе на Агентство оборонных исследований в Англии - рассуждал, что пористый кремний может проявлять эффекты квантового ограничения.[2] За этой интуицией последовали успешные экспериментальные результаты, опубликованные в 1990 году. В опубликованном эксперименте было обнаружено, что кремниевые пластины могут излучать свет, если подвергаются воздействию электрохимический и химический растворение.

Опубликованный результат стимулировал интерес научного сообщества к его нелинейная оптика и электрические характеристики. О растущем интересе свидетельствует количество опубликованных работ, посвященных свойствам и возможностям применения пористого кремния. В статье, опубликованной в 2000 году, было обнаружено, что количество опубликованных работ в период с 1991 по 1995 год росло экспоненциально.[3]

В 2001 году группа ученых из Технический университет Мюнхена случайно обнаружил, что гидрогенизированный пористый кремний взрывоопасно реагирует с кислород в криогенный температуры, высвобождая в несколько раз больше энергии, чем эквивалентное количество TNT, с гораздо большей скоростью. (Резюме исследования можно найти ниже.) Взрыв происходит потому, что кислород, который находится в жидком состоянии при необходимых температурах, может окислять через пористую молекулярную структуру кремния чрезвычайно быстро, вызывая очень быстрое и эффективное детонация. Хотя гидрогенизированный пористый кремний, вероятно, не будет эффективным в качестве оружия, из-за того, что он работает только при низких температурах, его взрывные свойства изучаются и для других целей, таких как обеспечение тяги для спутники.

Изготовление пористого кремния

Изготовление пористого кремния может варьироваться от первоначального формирования до протравливание или путем создания анодирование клетка. После этого необходимы сушка, хранение пористого кремния и модификация поверхности. Если для образования микропористого кремния используется анодирование в водном растворе, материал обычно обрабатывают в этаноле сразу после изготовления, чтобы избежать повреждения структуры, которое возникает из-за напряжений капиллярного эффекта водного раствора.[4]

Анодирование

Ячейка анодирования
Схематическое изображение ячейки анодирования

Один из методов введения пор в кремний - это использование ячейки анодирования. Возможная ячейка анодирования использует платиновый катод и анод кремниевой пластины, погруженные в фтороводород (HF) электролит. В последнее время используются инертные алмазные катоды, чтобы избежать металлических примесей в электролите, а инертные алмазные аноды образуют улучшенный электрический контакт задней пластины с кремниевыми пластинами. Коррозия из анод производится путем пропускания электрического тока через ячейку. Отмечено, что работа постоянного ОКРУГ КОЛУМБИЯ обычно применяется для обеспечения постоянной концентрации HF на концах, что приводит к более однородный слой пористости, хотя импульсный ток больше подходит для формирования толстых кремниевых пластин размером более 50 мкм.[5]

Халимауи отметил, что водород эволюция происходит при образовании пористого кремния.

Когда для образования PS используются чисто водные растворы HF, пузырьки водорода прилипают к поверхности и вызывают боковую и глубинную неоднородность.

Выделение водорода обычно рассматривается с абсолютной этиловый спирт в концентрации более 15%. Было обнаружено, что введение этанола устраняет водород и обеспечивает полную инфильтрацию раствора HF в поры. Впоследствии улучшается равномерное распределение пористости и толщины.

Травление пятен

Пористый кремний можно получить травлением пятен плавиковая кислота, азотная кислота и воды. В публикации 1957 года было показано, что окрашивающие пленки можно выращивать в разбавленных растворах азотной кислоты в концентрированной плавиковой кислоте.[6] Образование пористого кремния путем травления пятен особенно привлекательно из-за его простоты и наличия легко доступных коррозионных реагентов; а именно азотная кислота (HNO3) и фтороводород (HF). Кроме того, протравливание полезно, если нужно получить очень тонкие пористые пленки Si.[7] Публикация Р. Дж. Арчера в 1960 году показала, что можно создавать окрашивающие пленки толщиной до 25 Å путем травления красителей с помощью HF-HNO.3 решение.

Восходящий синтез

Пористый кремний можно синтезировать химическим способом из тетрахлорида кремния с использованием побочных продуктов самообразования солей в качестве темплатов для образования пор. Позднее солевые шаблоны удаляются водой.[8]

Сушка пористого кремния

Пористый кремний систематически склонен к образованию трещин при испарении воды. Трещины особенно заметны в толстых или высокопористых слоях кремния.[9] Возникновение трещин объясняется большим капилляр напряжение из-за мельчайших пор. В частности, известно, что трещины будут появляться в образцах пористого кремния с толщиной, превышающей определенное критическое значение. Белле пришел к выводу, что невозможно избежать растрескивания толстых слоев пористого кремния при нормальных условиях испарения. Следовательно, было разработано несколько подходящих методов, чтобы минимизировать риск образования трещин во время сушки.

Сверхкритическая сушка

Сверхкритическая сушка считается наиболее эффективным методом сушки, но он довольно дорог и сложен в применении. Впервые он был реализован Canham в 1994 году и включает перегрев поры жидкости выше критической точки, чтобы избежать межфазного натяжения.[10]

Сублимационной сушки

Сублимационной сушки Впервые процедура была задокументирована примерно в 1996 году.[11] После образования пористого кремния образец замораживают при температуре около 200 К и сублимируют в вакууме.[12]

Пентановая сушка

В технике используется пентан в качестве сушильной жидкости вместо воды. При этом уменьшается капиллярное напряжение, поскольку пентан имеет более низкое поверхностное натяжение, чем вода.[13]

Медленное испарение

Медленное испарение Техника может быть реализована после ополаскивания водой или этанолом. Было обнаружено, что медленное испарение снижает плотность ловушки.

Модификация поверхности пористого кремния

Поверхность пористого кремния может быть модифицирована для проявления различных свойств. Часто свежеотравленный пористый кремний может быть нестабильным из-за скорости его окисление из-за атмосферы или непригодны для прикрепления клеток. Следовательно, его поверхность можно модифицировать для улучшения стабильности и прикрепления клеток.

Модификация поверхности, улучшающая стабильность

После образования пористого кремния его поверхность покрывается ковалентно связанный водород. Хотя поверхность, покрытая водородом, достаточно стабильна при воздействии инертной атмосферы в течение короткого периода времени, продолжительное воздействие делает поверхность склонной к окислению атмосферным кислородом. Окисление способствует нестабильности поверхности и нежелательно для многих применений. Таким образом, было разработано несколько методов повышения стабильности поверхности пористого кремния.

Возможный подход: термическое окисление. Процесс включает нагрев кремния до температуры выше 1000 ° C, чтобы способствовать полному окислению кремния. Сообщается, что с помощью этого метода были получены образцы с хорошей устойчивостью к старению и электронной поверхностью. пассивация.[14]

Пористый кремний демонстрирует высокую степень биосовместимость. Большая площадь поверхности позволяет органический молекулы хорошо прилипают. Это деградирует до Ортосиллиевая кислота (H4SiO4),[15] который не причиняет вреда организму. Это открыло потенциальные возможности для применения в медицине, например, в рамках роста кость.

Модификация поверхности, улучшающая адгезию клеток

Модификация поверхности также может влиять на свойства, способствующие клеточная адгезия. В одном конкретном исследовании 2005 г. изучалась адгезия клеток млекопитающих на модифицированных поверхностях пористого кремния. В исследовании использовалась крыса Клетки PC12 и Эпителиальный хрусталик человека (HLE) клетки культивировали в течение четырех часов на поверхности модифицированного пористого кремния. Затем клетки окрашивали витальным красителем FDA и наблюдали под флуоресцентная микроскопия. Исследование пришло к выводу, что «амино силанизация и покрытие поверхности pSi усиленным коллагеном прикреплением и распространением клеток ».[16]

Классификация пористого кремния

Пористость

Пористость определяется как доля пустот в слое pSi, и ее можно легко определить путем измерения веса.[5] Во время формирования слоя пористого кремния посредством анодирования пористость пластины может быть увеличена за счет увеличения плотности тока, уменьшения концентрации HF и увеличения толщины слоя кремния. Пористость пористого кремния может составлять от 4% для макропористых слоев до 95% для мезопористых слоев. Исследование, проведенное Canham в 1995 году, показало, что «слой высокопористого кремния толщиной 1 мкм полностью растворился в течение дня после воздействия in vitro искусственная жидкость организма ".[17] Также было обнаружено, что кремниевая пластина со средней и низкой пористостью показывает большую стабильность. Следовательно, пористость пористого кремния варьируется в зависимости от его потенциальных областей применения.

Размер пор

Величина пористости кремния - это макроскопический параметр, который не дает никакой информации о микроструктуре слоя. Предлагается более точно предсказать свойства образца, если можно получить размер пор и его распределение в образце. Таким образом, пористый кремний был разделен на три категории в зависимости от размера пор; макропористый, мезопористый, и микропористый.

ТипМикропористыйМезопористыйМакропористый
Ширина поры (нанометр)менее 2От 2 до 50Больше 50

Основная характеристика пористого кремния

Хорошо контролируемые свойства

Исследования пористого кремния, проведенные в 1995 году, показали, что поведение пористого кремния может быть изменено между «биоинертным», «биоактивным» и «резорбируемым» путем изменения пористости образца кремния.[17] В исследовании in vitro использовалась смоделированная жидкость организма, содержащая ионы с концентрацией, аналогичной концентрации в крови человека, и проверялась активность образца пористого кремния при воздействии жидкостей в течение длительного периода времени. Было обнаружено, что мезопористые слои с высокой пористостью полностью удаляются моделируемыми жидкостями организма в течение суток. Напротив, микропористые слои с низкой и средней пористостью демонстрируют более стабильные конфигурации и индуцируют рост гидроксиапатита.

Биоактивный

Первый признак пористого кремния как биоактивный материал был найден в 1995 году. В ходе проведенного исследования было установлено, что гидроксиапатит рост происходил на участках пористого кремния. Затем было высказано предположение, что «гидратированный микропористый Si может быть биоактивной формой полупроводник и предполагаем, что сам Si следует серьезно рассматривать для разработки как материал для широко распространенных in vivo Приложения."[17] В другой статье опубликовано открытие, что пористый кремний можно использовать в качестве подложки для роста гидроксиапатита либо путем простого пропитывания, либо путем взаимодействия лазер-жидкость-твердое тело.[18]

С того времени, in vitro Были проведены исследования по оценке взаимодействия ячеек с пористым кремнием. Исследование 1995 года взаимодействия B50 клетки гиппокампа крысы с пористым кремнием обнаружили, что клетки B50 имеют явное предпочтение в отношении адгезии к пористому кремнию, а не к необработанной поверхности. Исследование показало, что пористый кремний подходит для культивирование клеток целей и может быть использован для контроля структуры роста клеток.[19]

Нетоксичные отходы

Еще одним положительным признаком пористого кремния является разложение пористого кремния на мономерный кремниевая кислота (SiOH4). Кремниевая кислота считается наиболее естественной формой элемента в окружающей среде и легко удаляется почки.

Человек плазма крови содержит мономерную кремниевую кислоту на уровне менее 1 мг Si / л, что соответствует среднему потреблению с пищей 20–50 мг / день. Было высказано предположение, что малая толщина кремниевых покрытий представляет минимальный риск достижения токсической концентрации. Предложение было поддержано экспериментом с участием добровольцев и кремниево-кислотных напитков. Было обнаружено, что концентрация кислоты ненадолго превысила нормальный уровень 1 мг Si / л и эффективно выводилась с экскрецией с мочой.[20]

Супергидрофобность

Простая регулировка морфологии пор и геометрии пористого кремния также предлагает удобный способ контролировать его характеристики смачивания. Стабильный ультра- и супергидрофобный состояния на пористом кремнии могут быть изготовлены и использованы в лаборатория на кристалле, микрофлюидный устройства для улучшенного поверхностного биоанализа.[21]

Оптические свойства

pSi демонстрирует оптические свойства на основе пористости и среды внутри пор. Эффективный показатель преломления pSi определяется пористостью и показателем преломления среды внутри пор. Если показатель преломления среды внутри пор высок, эффективный показатель преломления pSi также будет высоким. Это явление вызывает спектр перейти к более длительному длина волны.[22]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Кэнхэм, Ли Т. (10 апреля 1993 г.). «Светлое будущее кремния: микросхемы и схемы могли бы работать намного быстрее, если бы они использовали свет для связи друг с другом. Хрупкие слои пористого кремния могли бы быть тем, что им позволить». Новый ученый. Получено 25 февраля, 2013.
  2. ^ Sailor Research Group 17 февраля 2003 г., Введение в пористый кремний, Матросская исследовательская группа в UCSD, факультет химии Калифорнийского университета.
  3. ^ Пархутик, Вера (2000). Журнал пористых материалов. 7: 363–366. Дои:10.1023 / А: 1009643206266. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  4. ^ Porous Silicon Fabrication, получено 3 апреля 2016 г.
  5. ^ а б Халимауи А. 1997, "Формирование пористого кремния путем анодирования", в Свойства пористого кремния. Кэнхэм, Л. Т., Институт инженерии и технологий, Лондон, ISBN  0-85296-932-5 С. 12–22.
  6. ^ Арчер, Р. (1960). «Пятно на кремнии». Журнал физики и химии твердого тела. 14: 104–110. Bibcode:1960JPCS ... 14..104A. Дои:10.1016/0022-3697(60)90215-8.
  7. ^ Коффер Дж. Л. 1997, "Образование пористого кремния путем травления пятен", в Свойства пористого кремния, Кэнхэм, Л. Т., Институт инженерии и технологий, Лондон, ISBN  0-85296-932-5 С. 23–28.
  8. ^ http://www.nature.com/ncomms/2014/140410/ncomms4605/full/ncomms4605.html
  9. ^ Беллет Д. 1997, «Сушка пористого кремния», в Свойства пористого кремния, Кэнхэм, Л. Т., Институт инженерии и технологий, Лондон, ISBN  0-85296-932-5 С. 38–43.
  10. ^ Canham, L.T .; Cullis, A. G .; Пикеринг, С .; Dosser, O.D .; Cox, T. I .; Линч, Т. П. (1994). «Анодированные люминесцентные аэрокристаллические сетки из кремния, полученные сверхкритической сушкой». Природа. 368 (6467): 133. Bibcode:1994Натура.368..133C. Дои:10.1038 / 368133a0.
  11. ^ Амато, Г. (1996). «Пористый кремний, полученный путем сублимационной сушки». Письма о материалах. 26 (6): 295–298. Дои:10.1016 / 0167-577X (95) 00244-8.
  12. ^ Scott, S.M .; Джеймс, Д .; Али, З .; Бушаур, М. (2004). «Влияние высыхания на пористый кремний». Журнал термического анализа и калориметрии. 76 (2): 677. Дои:10.1023 / B: JTAN.0000028047.00086.ef.
  13. ^ Ван, Фугуо; Сонг, Шиён; Чжан, Цзюньянь (2009). «Текстурирование поверхности пористого кремния с капиллярным напряжением и его супергидрофобность». Химические коммуникации (28): 4239. Дои:10.1039 / b905769b. PMID  19585033.
  14. ^ Chazalviel J. N., Ozanam F. 1997, "Модификация поверхности пористого кремния", в Свойства пористого кремния, Canham, Л. Т., Институт инженерии и технологий, Лондон, ISBN  0-85296-932-5 С. 59–65.
  15. ^ Tantawi et. al. Пористая силиконовая мембрана для исследования трансмембранных белков, Журнал сверхрешеток и микроструктур, Vol. 58, 2013, страницы 78-80
  16. ^ Low, S. P .; Уильямс, К. А .; Canham, L.T .; Фолькер, Н. Х. (2006). «Оценка адгезии клеток млекопитающих на пористом кремнии с модифицированной поверхностью». Биоматериалы. 27 (26): 4538–46. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2006.04.015. PMID  16707158.
  17. ^ а б c Кэнхэм, Ли Т. (1995). «Изготовление структуры биоактивного кремния с помощью методов нанотравления». Современные материалы. 7 (12): 1033–1037. Дои:10.1002 / adma.19950071215.
  18. ^ Праматарова, Л .; Печева, Е .; Димовамалиновская, Д .; Праматарова, Р .; Bismayer, U .; Петров, Т .; Минковский, Н. (2004). «Пористый кремний как субстрат для роста гидроксиапатита». Вакуум. 76 (2–3): 135. Bibcode:2004Вакуу..76..135П. Дои:10.1016 / j.vacuum.2004.07.004.
  19. ^ Сапелкин, А .; Bayliss, S .; Унал, Б .; Хараламбу, А. (2006). «Взаимодействие клеток гиппокампа крысы B50 с окрашенным пористым кремнием». Биоматериалы. 27 (6): 842–6. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2005.06.023. PMID  16098578.
  20. ^ Кэнхэм, Л. Т., Астон Р. (июль 2001 г.). «Будет ли чип каждый день держать доктора подальше?». Мир физики. 14 (7): 27–32. Дои:10.1088/2058-7058/14/7/31.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  21. ^ Ressine, A .; Марко-Варга, Г .; Лорелл, Т. (2007). «Технология микрочипов из пористого кремниевого белка и ультра- / супергидрофобные состояния для улучшенного биоаналитического считывания». Годовой обзор биотехнологии. 13: 149–200. Дои:10.1016 / S1387-2656 (07) 13007-6. ISBN  9780444530325. PMID  17875477.
  22. ^ Оуян, Хуэйминь (2005). «Биосенсор с использованием пористых кремниевых фотонных запрещенных структур». В Du, Генри H (ред.). Фотонные кристаллы и волокна фотонных кристаллов для зондирования. 6005. п. 600508. Дои:10.1117/12.629961.

дальнейшее чтение

  • Feng Z.C .; Цу Р., ред. (1994). Пористый кремний. Сингапур: World Scientific. ISBN  978-981-02-1634-4.
  • Ковалев Д .; Тимошенко В.Ю .; Künzner N .; Gross E .; Кох Ф. (август 2001 г.). «Сильное взрывное взаимодействие гидрогенизированного пористого кремния с кислородом при криогенных температурах». Phys. Rev. Lett. 87 (6): 068301. Bibcode:2001ПхРвЛ..87ф8301К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.87.068301. PMID  11497868.