Black silicon
બ્લેક સિલિકોન એ સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી છે, જે ખૂબ જ ઓછી પરાવર્તકતા અને અનુરૂપ રીતે દૃશ્યમાન (અને ઇન્ફ્રારેડ) પ્રકાશના ઉચ્ચ શોષણ સાથે સિલિકોનની સપાટીમાં ફેરફાર છે. આ ફેરફારની શોધ 1980ના દાયકામાં પ્રતિક્રિયાશીલ આયન કોતરણી (RIE) ની અનિચ્છનીય આડઅસર તરીકે કરવામાં આવી હતી. સમાન માળખું રચવા માટેની અન્ય પદ્ધતિઓમાં ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ એચિંગ, સ્ટેન એચિંગ, મેટલ-આસિસ્ટેડ કેમિકલ એચિંગ અને લેસર ટ્રીટમેન્ટ (જે હાર્વર્ડ યુનિવર્સિટી ખાતે એરિક મઝુરની પ્રયોગશાળામાં વિકસાવવામાં આવી છે) નો સમાવેશ થાય છે. બ્લેક સિલિકોન સૌર ફોટોવોલ્ટેઇક ઉદ્યોગ માટે એક મોટી સંપત્તિ બની ગયું છે કારણ કે તે પ્રમાણભૂત સ્ફટિકીય સિલિકોન સૌર કોષોની વધુ પ્રકાશથી વીજળી રૂપાંતરણ કાર્યક્ષમતાને સક્ષમ કરે છે, જે તેમના ખર્ચમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો કરે છે. કાળા સિલિકોન એ સોય આકારની સપાટીની રચના છે જ્યાં સોય એક સ્ફટિક સિલિકોનથી બનેલી હોય છે અને તેની ઊંચાઈ 10 માઇક્રોનથી વધુ અને વ્યાસ 1 માઇક્રોનથી ઓછો હોય છે. તેનું મુખ્ય લક્ષણ ઘટના પ્રકાશનું વધતું શોષણ છે-સિલિકોનની ઉચ્ચ પરાવર્તનશીલતા, જે સામાન્ય રીતે અર્ધ-સામાન્ય ઘટનાઓ માટે 20-30% હોય છે, તે ઘટીને લગભગ 5 ટકા થઈ જાય છે. આ સોય દ્વારા કહેવાતા અસરકારક માધ્યમની રચનાને કારણે છે. આ માધ્યમમાં, કોઈ તીક્ષ્ણ ઇન્ટરફેસ નથી, પરંતુ રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સમાં સતત ફેરફાર થાય છે જે ફ્રેસ્નલ પ્રતિબિંબ ઘટાડે છે. જ્યારે શ્રેણીબદ્ધ સ્તરની ઊંડાઈ સિલિકોનમાં પ્રકાશની તરંગલંબાઇ (શૂન્યાવકાશમાં લગભગ એક ચતુર્થાંશ તરંગલંબાઇ) જેટલી હોય ત્યારે પ્રતિબિંબ ઘટીને 5 ટકા થઈ જાય છે; ઊંડા ગ્રેડ પણ કાળા સિલિકોનનું ઉત્પાદન કરે છે. ઓછી પરાવર્તકતા માટે, અનુક્રમણિકા શ્રેણીબદ્ધ સ્તર ઉત્પન્ન કરતી નેનોસ્કેલ સુવિધાઓ સ્કેટરિંગને ટાળવા માટે ઘટના પ્રકાશની તરંગલંબાઇ કરતા નાની હોવી જોઈએ. સિલિકોનના અર્ધચાલક ગુણધર્મો સાથે જોડાયેલી અસામાન્ય ઓપ્ટિકલ લાક્ષણિકતાઓ આ સામગ્રીને સેન્સર કાર્યક્રમો માટે રસપ્રદ બનાવે છે. સંભવિત ઉપયોગોમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છેઃ વધેલી સંવેદનશીલતા સાથે ઇમેજ સેન્સર થર્મલ ઇમેજિંગ કેમેરા વધેલા શોષણ દ્વારા ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા સાથે ફોટોડિટેક્ટર. યાંત્રિક સંપર્કો અને ઇન્ટરફેસ ટેરાહર્ટ્ઝ એપ્લિકેશન્સ. સૌર કોષો એન્ટીબેક્ટેરિયલ સપાટીઓ કે જે શારીરિક રીતે બેક્ટેરિયાના સેલ્યુલર પટલને તોડીને કામ કરે છે. સપાટી ઉન્નત રમન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી એમોનિયા ગેસ સેન્સર ઉત્પાદન પ્રતિક્રિયાશીલ-આયન કોતરણી સેમિકન્ડક્ટર તકનીકમાં, પ્રતિક્રિયાશીલ-આયન કોતરણી (આર. આઈ. ઈ.) એ સેંકડો માઇક્રોમીટર સુધીની ઊંડાઈ અને ખૂબ ઊંચા પાસા ગુણોત્તર સાથે ખાઈઓ અને છિદ્રો ઉત્પન્ન કરવા માટેની પ્રમાણભૂત પ્રક્રિયા છે. બોશ પ્રક્રિયા RIE માં, આ વારંવાર કોતરણી અને નિષ્ક્રિયતા વચ્ચે ફેરબદલ કરીને પ્રાપ્ત થાય છે. ક્રાયોજેનિક આરઆઇઇ સાથે, નીચું તાપમાન અને ઓક્સિજન ગેસ આ બાજુની દિવાલની નિષ્ક્રિયતા, દિશાસૂચક આયનો દ્વારા સરળતાથી નીચેથી દૂર કરીને હાંસલ કરે છે. બંને RIE પદ્ધતિઓ કાળા સિલિકોનનું ઉત્પાદન કરી શકે છે, પરંતુ પરિણામી માળખાની આકારવિજ્ઞાન નોંધપાત્ર રીતે અલગ પડે છે. બોશ પ્રક્રિયાની કોતરણી અને નિષ્ક્રિયતા વચ્ચેનું પરિવર્તન અનિયમિત બાજુની દિવાલો બનાવે છે, જે આ રીતે રચાયેલા કાળા સિલિકોન પર પણ દેખાય છે. જો કે, કોતરણી દરમિયાન, નાના કાટમાળ સબસ્ટ્રેટ પર રહે છે; તેઓ આયન બીમને ઢાંકી દે છે અને એવી રચનાઓ ઉત્પન્ન કરે છે જે દૂર કરવામાં આવતી નથી અને નીચેના કોતરણી અને નિષ્ક્રિયતાના પગલાંઓમાં ઊંચા સિલિકોન થાંભલાઓમાં પરિણમે છે. આ પ્રક્રિયાને સેટ કરી શકાય છે જેથી એક ચોરસ મિલીમીટરના વિસ્તાર પર દસ લાખ સોયની રચના થાય. મઝુરની પદ્ધતિ 1999 માં, એરિક મઝુરની આગેવાની હેઠળના હાર્વર્ડ યુનિવર્સિટીના જૂથે એક પ્રક્રિયા વિકસાવી હતી જેમાં ફેમ્ટોસેકન્ડ લેસર કઠોળ સાથે સિલિકોનનું વિકિરણ કરીને કાળા સિલિકોનનું ઉત્પાદન કરવામાં આવ્યું હતું. સલ્ફર હેક્સાફ્લોરાઇડ અને અન્ય ડોપન્ટ્સ ધરાવતા ગેસની હાજરીમાં ઇરેડિયેશન પછી, સિલિકોનની સપાટી માઇક્રોમીટર-કદના શંકુની સ્વ-સંગઠિત માઇક્રોસ્કોપિક રચના વિકસાવે છે. પરિણામી સામગ્રીમાં ઘણા નોંધપાત્ર ગુણધર્મો છે, જેમ કે શોષણ જે ઇન્ફ્રારેડ શ્રેણી સુધી વિસ્તરે છે, સિલિકોનના બેન્ડ ગેપની નીચે, જેમાં તરંગલંબાઇનો સમાવેશ થાય છે જેના માટે સામાન્ય સિલિકોન પારદર્શક હોય છે. સલ્ફર પરમાણુઓને સિલિકોનની સપાટી પર દબાણ કરવામાં આવે છે, જે નીચલા પટ્ટાના અંતર સાથે માળખું બનાવે છે અને તેથી લાંબા તરંગલંબાઇને શોષવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. સમાન પ્રકારની લેસર અને લેસર પ્રક્રિયા પરિસ્થિતિઓનો ઉપયોગ કરીને વેક્યૂમમાં સમાન સપાટી ફેરફાર પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. આ કિસ્સામાં, વ્યક્તિગત સિલિકોન શંકુમાં તીક્ષ્ણ ટીપ્સનો અભાવ હોય છે (છબી જુઓ). આવી માઇક્રો-સ્ટ્રક્ચર્ડ સપાટીની પરાવર્તકતા ખૂબ ઓછી છે, 350-1150 nm સ્પેક્ટ્રલ રેન્જમાં 3-14%. પ્રતિબિંબીતામાં આવો ઘટાડો શંકુ ભૂમિતિ દ્વારા ફાળો આપે છે, જે તેમની વચ્ચેના પ્રકાશના આંતરિક પ્રતિબિંબને વધારે છે. તેથી, પ્રકાશના શોષણની શક્યતા વધે છે. એફ. એસ. લેસર ટેક્સચરાઇઝેશન દ્વારા પ્રાપ્ત શોષણમાં લાભ આલ્કલાઇન રાસાયણિક ઇચ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને પ્રાપ્ત કરતાં બહેતર હતો, જે સૌર સેલ ઉત્પાદનમાં મોનો-સ્ફટિકીય સિલિકોન વેફર્સના સપાટીના ટેક્સ્ચરિંગ માટે પ્રમાણભૂત ઔદ્યોગિક અભિગમ છે. આવા સપાટીના ફેરફાર સ્થાનિક સ્ફટિકીય દિશાથી સ્વતંત્ર છે. બહુ-સ્ફટિકીય સિલિકોન વેફરની સપાટી પર એક સમાન રચના અસર પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. ખૂબ જ સીધા ખૂણાઓ પ્રતિબિંબને શૂન્યની નજીક ઘટાડે છે અને પુનઃસંયોજનની સંભાવનામાં પણ વધારો કરે છે, જે તેને સૌર કોષોમાં ઉપયોગથી દૂર રાખે છે. જ્યારે કોપર નાઇટ્રેટ, ફોસ્ફરસ એસિડ, હાઇડ્રોજન ફ્લોરાઇડ અને પાણીનું મિશ્રણ સિલિકોન વેફર પર લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે ફોસ્ફરસ એસિડમાં ઘટાડો કોપર આયનોને કોપર નેનોપાર્ટિકલ્સમાં ઘટાડે છે. નેનોપાર્ટિકલ્સ વેફરની સપાટી પરથી ઇલેક્ટ્રોનને આકર્ષિત કરે છે, તેને ઓક્સિડાઇઝ કરે છે અને હાઇડ્રોજન ફ્લોરાઇડને ઊંધી પિરામિડ આકારના નેનોપોર્સને સિલિકોનમાં બાળી નાખવાની મંજૂરી આપે છે. આ પ્રક્રિયા 590 એનએમ જેટલા નાના છિદ્રો ઉત્પન્ન કરે છે જે 99 ટકાથી વધુ પ્રકાશમાંથી પસાર થાય છે. મેટલ-આસિસ્ટેડ કેમિકલ એચિંગ (MACE) નામની પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરીને કેમિકલ એચિંગ દ્વારા પણ કેમિકલ એચિંગ બ્લેક સિલિકોનનું ઉત્પાદન કરી શકાય છે. કાર્ય જ્યારે સામગ્રી નાના વિદ્યુત વોલ્ટેજ દ્વારા પક્ષપાતી હોય છે, ત્યારે શોષાયેલા ફોટોન ડઝનેક ઇલેક્ટ્રોનને ઉત્તેજિત કરવામાં સક્ષમ હોય છે. કાળા સિલિકોન ડિટેક્ટર્સની સંવેદનશીલતા દૃશ્યમાન અને ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રા બંનેમાં સારવાર ન કરાયેલ સિલિકોન (પરંપરાગત સિલિકોન) કરતા 100-500 ગણી વધારે છે. નેશનલ રિન્યુએબલ એનર્જી લેબોરેટરીના એક જૂથે 18.2% કાર્યક્ષમતા સાથે કાળા સિલિકોન સૌર કોષોની જાણ કરી હતી. આ કાળી સિલિકોન વિરોધી પ્રતિબિંબીત સપાટી ચાંદીના નેનો કણોનો ઉપયોગ કરીને ધાતુ-સહાયિત કોતરણી પ્રક્રિયા દ્વારા બનાવવામાં આવી હતી. મે 2015 માં, ફિનલેન્ડની આલ્ટો યુનિવર્સિટીના સંશોધકોએ યુનિવર્સિટેટ પોલિટેકનિકા ડી કેટાલુનીયાના સંશોધકો સાથે કામ કરીને જાહેરાત કરી હતી કે તેઓએ અણુ સ્તર જમા દ્વારા નેનોસ્ટ્રક્ચર્સ પર પાતળા નિષ્ક્રિય ફિલ્મ લાગુ કરીને અને કોષની પાછળની બાજુએ તમામ ધાતુના સંપર્કોને એકીકૃત કરીને 22.1% કાર્યક્ષમતા સાથે કાળા સિલિકોન સૌર કોષો બનાવ્યા છે. મેલબોર્નમાં સ્વિનબર્ન યુનિવર્સિટી ઓફ ટેક્નોલોજી ખાતે એલેના ઇવાનોવાની આગેવાની હેઠળની ટીમે 2012 માં શોધ્યું હતું કે સિકાડા પાંખો સ્યુડોમોનાસ એરુગિનોસાના શક્તિશાળી હત્યારા હતા, જે એક તકવાદી જંતુ છે જે મનુષ્યને પણ ચેપ લગાડે છે અને એન્ટિબાયોટિક્સ સામે પ્રતિરોધક બની રહ્યું છે. આ અસર નિયમિત અંતર ધરાવતા "નેનોપિલર" માંથી આવી હતી, જેના પર બેક્ટેરિયાને કાપીને ટુકડા કરી દેવામાં આવતા હતા કારણ કે તેઓ સપાટી પર સ્થાયી થતા હતા. બંને સિકાડા પાંખો અને કાળા સિલિકોનને પ્રયોગશાળામાં તેમની ગતિમાં મૂકવામાં આવ્યા હતા, અને બંને જીવાણુનાશક હતા. માનવ સ્પર્શ માટે સરળ, સપાટીઓ ગ્રામ-નેગેટિવ અને ગ્રામ-પોઝિટિવ બેક્ટેરિયાનો તેમજ બેક્ટેરિયાના બીજકણોનો નાશ કરે છે. ત્રણ લક્ષિત બેક્ટેરિયાની પ્રજાતિઓ પી. એરુગિનોસા, સ્ટેફાયલોકૉકસ ઓરેયસ અને બેસિલસ સબટિલિસ હતી, જે જમીનનો એક વ્યાપક જંતુ છે જે એન્થ્રેક્સનો પિતરાઈ છે. એક્સપોઝરના પ્રથમ ત્રણ કલાકમાં પ્રતિ ચોરસ સેન્ટિમીટર દીઠ 450,000 બેક્ટેરિયા અથવા એસ. ઓરેયસથી વ્યક્તિને ચેપ લગાડવા માટે જરૂરી લઘુત્તમ માત્રા કરતાં 810 ગણો અને પી. એરુગિનોસાના 77,400 ગણો મૃત્યુ દર હતો. જો કે, તે પાછળથી સાબિત થયું હતું કે ઇવાનોવાની ટીમનો ક્વોન્ટિફિકેશન પ્રોટોકોલ આ પ્રકારની એન્ટીબેક્ટેરિયલ સપાટીઓ માટે યોગ્ય ન હતો. વિસ્કોન્સિન-મેડિસનની સોલાસીસ યુનિવર્સિટીના સૌર કોષની ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા પણ જુઓ. 'સ્ટીલ્થ' સામગ્રી ઇન્ફ્રારેડ આંખોથી ગરમ પદાર્થોને છુપાવે છે. સાયન્સ ડેઇલી. www.sciencedaily.com/releases/2018/06/180622174752.htm (23 જૂન 2018 સુધી પહોંચેલ). સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ સિઓનિક્સ પ્રકાશમાં "બ્લેક સિલિકોન" લાવે છે ન્યૂ યોર્ક ટાઇમ્સ લેખ (એનવાયટી સબ્સ્ક્રિપ્શનની જરૂર છે) સિઓનિક્સ હોમપેજ લેસર ફોટોવોલ્ટેઇક માટે-નોલેજ બેઝ લેસર પીવી કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરે છે લેસર, પ્લાઝમા એટ પ્રોસેડેસ ફોટોનિક્સ-રીચેર્ચ-સ્ટ્રક્ચરેશન ડુ સિલિસિયમઃ એપ્લિકેશન અઉ ફોટોવોલ્ટેઇક (ફ્રેન્ચમાં) સિલિકોન સિલિકોન બનાવે છે, બ્લેક સિલિકોન સોલર સેલ ઇન્ફ્રારેડ સોલર સેલ પાતળા-ફિલ્મ કોષો