Black silicon
ब्लैक सिलिकॉन एक अर्धचालक सामग्री है, जो बहुत कम परावर्तनशीलता और दृश्य (और अवरक्त) प्रकाश के अनुरूप उच्च अवशोषण के साथ सिलिकॉन का एक सतह संशोधन है। संशोधन की खोज 1980 के दशक में प्रतिक्रियाशील आयन इचिंग (आर. आई. ई.) के एक अवांछित दुष्प्रभाव के रूप में की गई थी। इसी तरह की संरचना बनाने के अन्य तरीकों में विद्युत रासायनिक नक़्क़ाशी, दाग नक़्क़ाशी, धातु-सहायता प्राप्त रासायनिक नक़्क़ाशी और लेजर उपचार (जिसे हार्वर्ड विश्वविद्यालय में एरिक मज़ूर की प्रयोगशाला में विकसित किया गया है) शामिल हैं। ब्लैक सिलिकॉन सौर फोटोवोल्टिक उद्योग के लिए एक प्रमुख संपत्ति बन गया है क्योंकि यह मानक क्रिस्टलीय सिलिकॉन सौर कोशिकाओं की अधिक प्रकाश से बिजली रूपांतरण दक्षता को सक्षम बनाता है, जिससे उनकी लागत में काफी कमी आती है। गुण काला सिलिकॉन एक सुई के आकार की सतह संरचना है जहाँ सुइयाँ एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन से बनी होती हैं और इनकी ऊँचाई 10 माइक्रोन मीटर से अधिक और व्यास 1 माइक्रोन मीटर से कम होता है। इसकी मुख्य विशेषता आपतित प्रकाश का अवशोषण बढ़ना है-सिलिकॉन की उच्च परावर्तनशीलता, जो आमतौर पर अर्ध-सामान्य आपतन के लिए 20-30% होती है, लगभग 5 प्रतिशत तक कम हो जाती है। यह सुइयों द्वारा एक तथाकथित प्रभावी माध्यम के निर्माण के कारण होता है। इस माध्यम के भीतर, कोई तेज इंटरफेस नहीं है, लेकिन अपवर्तक सूचकांक का निरंतर परिवर्तन है जो फ्रेसनेल परावर्तन को कम करता है। जब श्रेणीबद्ध परत की गहराई सिलिकॉन में प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के लगभग बराबर होती है (निर्वात में तरंग दैर्ध्य का लगभग एक चौथाई) तो परावर्तन 5 प्रतिशत तक कम हो जाता है; गहरे ग्रेड और भी काले सिलिकॉन का उत्पादन करते हैं। कम परावर्तनशीलता के लिए, सूचकांक श्रेणीबद्ध परत का उत्पादन करने वाली नैनोस्केल विशेषताएँ प्रकीर्णन से बचने के लिए आपतित प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से छोटी होनी चाहिए। सिलिकॉन के अर्धचालक गुणों के साथ असामान्य ऑप्टिकल विशेषताएँ इस सामग्री को संवेदक अनुप्रयोगों के लिए दिलचस्प बनाती हैं। संभावित अनुप्रयोगों में शामिल हैंः बढ़ी हुई संवेदनशीलता के साथ छवि संवेदक अवशोषण में वृद्धि के माध्यम से उच्च दक्षता के साथ थर्मल इमेजिंग कैमरा फोटोडिटेक्टर। यांत्रिक संपर्क और इंटरफेस टेराहर्ट्ज़ अनुप्रयोग। सौर कोशिका जीवाणुरोधी सतह जो बैक्टीरिया की कोशिकीय झिल्ली को शारीरिक रूप से तोड़कर काम करती हैं। सतह संवर्धित रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी अमोनिया गैस संवेदक उत्पादन प्रतिक्रियाशील-आयन नक़्क़ाशी अर्धचालक प्रौद्योगिकी में, प्रतिक्रियाशील-आयन नक़्क़ाशी (आर. आई. ई.) कई सौ माइक्रोमीटर की गहराई और बहुत उच्च पहलू अनुपात के साथ खाइयों और छेदों के उत्पादन के लिए एक मानक प्रक्रिया है। बॉश प्रक्रिया आर. आई. ई. में, यह एक इचिंग और निष्क्रियता के बीच बार-बार स्विच करके प्राप्त किया जाता है। क्रायोजेनिक आर. आई. ई. के साथ, कम तापमान और ऑक्सीजन गैस इस साइडवॉल निष्क्रियता को प्राप्त करते हुए, दिशात्मक आयनों द्वारा आसानी से नीचे से हटा दिया जाता है। दोनों आर. आई. ई. विधियाँ काले सिलिकॉन का उत्पादन कर सकती हैं, लेकिन परिणामी संरचना की आकृति विज्ञान काफी भिन्न होती है। बॉश प्रक्रिया की नक़्क़ाशी और निष्क्रियता के बीच बदलाव से लहरदार साइडवॉल बनती हैं, जो इस तरह से बने काले सिलिकॉन पर भी दिखाई देती हैं। हालांकि, नक़्क़ाशी के दौरान, छोटे मलबे सब्सट्रेट पर रहते हैं; वे आयन बीम को ढक देते हैं और ऐसी संरचनाओं का उत्पादन करते हैं जिन्हें हटाया नहीं जाता है और निम्नलिखित नक़्क़ाशी और निष्क्रियता चरणों में लंबे सिलिकॉन स्तंभों का परिणाम होता है। प्रक्रिया को इस तरह से सेट किया जा सकता है कि एक वर्ग मिलीमीटर के क्षेत्र पर दस लाख सुइयां बन जाएं। मज़ूर की विधि 1999 में, एरिक मज़ूर के नेतृत्व में हार्वर्ड विश्वविद्यालय के एक समूह ने एक ऐसी प्रक्रिया विकसित की जिसमें सिलिकॉन को फेमटोसेकंड लेजर दालों के साथ विकिरण करके काले सिलिकॉन का उत्पादन किया गया था। सल्फर हेक्साफ्लोराइड और अन्य डोपेंट युक्त गैस की उपस्थिति में विकिरण के बाद, सिलिकॉन की सतह माइक्रोमीटर आकार के शंकुओं की एक स्व-संगठित सूक्ष्म संरचना विकसित करती है। परिणामी सामग्री में कई उल्लेखनीय गुण होते हैं, जैसे कि अवशोषण जो सिलिकॉन के बैंड अंतराल के नीचे अवरक्त सीमा तक फैला होता है, जिसमें तरंग दैर्ध्य भी शामिल है जिसके लिए साधारण सिलिकॉन पारदर्शी होता है। सल्फर परमाणुओं को सिलिकॉन की सतह पर मजबूर किया जाता है, जिससे कम बैंड अंतराल के साथ एक संरचना बनती है और इसलिए लंबी तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करने की क्षमता होती है। समान प्रकार के लेजर और लेजर प्रसंस्करण स्थितियों का उपयोग करके वैक्यूम में समान सतह संशोधन प्राप्त किया जा सकता है। इस मामले में, अलग-अलग सिलिकॉन शंकुओं में तेज नोकों की कमी होती है (छवि देखें)। ऐसी सूक्ष्म-संरचित सतह की परावर्तनशीलता बहुत कम होती है, वर्णक्रमीय सीमा 350-1150 nm में 3-14%। परावर्तनशीलता में इस तरह की कमी शंकु ज्यामिति द्वारा योगदान देती है, जो उनके बीच प्रकाश आंतरिक परावर्तन को बढ़ाती है। अतः प्रकाश के अवशोषण की संभावना बढ़ जाती है। एफ. एस. लेजर टेक्सचराइजेशन द्वारा प्राप्त अवशोषण में लाभ एक क्षारीय रासायनिक ईच विधि का उपयोग करके प्राप्त किए गए लाभ से बेहतर था, जो सौर सेल निर्माण में मोनो-क्रिस्टलीय सिलिकॉन वेफर्स की सतह बनावट के लिए एक मानक औद्योगिक दृष्टिकोण है। इस तरह का सतह संशोधन स्थानीय क्रिस्टलीय अभिविन्यास से स्वतंत्र है। बहु-क्रिस्टलीय सिलिकॉन वेफर की सतह पर एक समान बनावट प्रभाव प्राप्त किया जा सकता है। बहुत तीव्र कोण परावर्तन को शून्य के करीब कम कर देते हैं और पुनः संयोजन की संभावना को भी बढ़ाते हैं, जिससे यह सौर कोशिकाओं में उपयोग से दूर रहता है। नैनोपोर्स जब कॉपर नाइट्रेट, फॉस्फोरस एसिड, हाइड्रोजन फ्लोराइड और पानी के मिश्रण को सिलिकॉन वेफर पर लगाया जाता है, तो फॉस्फोरस एसिड की कमी कॉपर आयनों को कॉपर नैनोपार्टिकल्स में बदल देती है। नैनोपार्टिकल्स वेफर की सतह से इलेक्ट्रॉनों को आकर्षित करते हैं, इसे ऑक्सीकृत करते हैं और हाइड्रोजन फ्लोराइड को सिलिकॉन में उल्टे पिरामिड के आकार के नैनोपोर को जलाने की अनुमति देते हैं। इस प्रक्रिया ने 590 एनएम के रूप में छोटे छिद्रों का उत्पादन किया जो 99 प्रतिशत से अधिक प्रकाश से गुजरते हैं। केमिकल इचिंग ब्लैक सिलिकॉन का उत्पादन मेटल-असिस्टेड केमिकल इचिंग (MACE) नामक प्रक्रिया का उपयोग करके केमिकल इचिंग द्वारा भी किया जा सकता है। कार्य जब पदार्थ एक छोटे विद्युत वोल्टेज द्वारा पक्षपाती होता है, तो अवशोषित फोटॉन दर्जनों इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करने में सक्षम होते हैं। दृश्यमान और अवरक्त स्पेक्ट्रा दोनों में काले सिलिकॉन डिटेक्टरों की संवेदनशीलता अनुपचारित सिलिकॉन (पारंपरिक सिलिकॉन) की तुलना में 100-500 गुना अधिक है। राष्ट्रीय नवीकरणीय ऊर्जा प्रयोगशाला के एक समूह ने 18.2% दक्षता के साथ काली सिलिकॉन सौर कोशिकाओं की सूचना दी। यह काली सिलिकॉन एंटी-रिफ्लेक्टिव सतह चांदी के नैनो कणों का उपयोग करके धातु-सहायता प्राप्त नक़्क़ाशी प्रक्रिया द्वारा बनाई गई थी। मई 2015 में, फिनलैंड के आल्टो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने यूनिवर्सिटैट पॉलिटेक्निका डी कैटालुन्या के शोधकर्ताओं के साथ काम करते हुए घोषणा की कि उन्होंने परमाणु परत जमा करके नैनोस्ट्रक्चर पर एक पतली निष्क्रिय फिल्म लगाकर और कोशिका के पीछे की ओर सभी धातु संपर्कों को एकीकृत करके 22.1% दक्षता के साथ काली सिलिकॉन सौर कोशिकाएं बनाई हैं। मेलबर्न में स्विनबर्न यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी में एलेना इवानोवा के नेतृत्व में एक टीम ने 2012 में पाया कि सिकाडा के पंख स्यूडोमोनास एरुगिनोसा के शक्तिशाली हत्यारे थे, जो एक अवसरवादी रोगाणु है जो मनुष्यों को भी संक्रमित करता है और एंटीबायोटिक दवाओं के प्रति प्रतिरोधी होता जा रहा है। प्रभाव नियमित रूप से अंतराल वाले "नैनोपिलर" से आया जिस पर बैक्टीरिया को टुकड़ों में काटा जाता था क्योंकि वे सतह पर बस जाते थे। सिकाडा पंखों और काले सिलिकॉन दोनों को एक प्रयोगशाला में उनकी गति के माध्यम से रखा गया था, और दोनों जीवाणुनाशक थे। मानव स्पर्श के लिए चिकनी, सतहों ने ग्राम-नकारात्मक और ग्राम-सकारात्मक बैक्टीरिया के साथ-साथ जीवाणु बीजाणुओं को भी नष्ट कर दिया। तीन लक्षित जीवाणु प्रजातियाँ पी. एरुगिनोसा, स्टैफिलोकोकस ऑरियस और बेसिलस सबटिलिस थीं, जो एक विस्तृत मिट्टी का रोगाणु है जो एंथ्रेक्स का एक चचेरा भाई है। एक्सपोजर के पहले तीन घंटों में मारने की दर 450,000 बैक्टीरिया प्रति वर्ग सेंटीमीटर प्रति मिनट या एस. ऑरियस से किसी व्यक्ति को संक्रमित करने के लिए आवश्यक न्यूनतम खुराक का 810 गुना और पी. एरुगिनोसा का 77,400 गुना थी। हालांकि, बाद में यह साबित हुआ कि इवानोवा की टीम का परिमाणीकरण प्रोटोकॉल इस तरह की जीवाणुरोधी सतहों के लिए उपयुक्त नहीं था। सौर सेल सोलासिस यूनिवर्सिटी ऑफ विस्कॉन्सिन-मैडिसन की क्वांटम दक्षता भी देखें। 'स्टील्थ' सामग्री अवरक्त आंखों से गर्म वस्तुओं को छुपाती है। साइंस डेली। www.sciencedaily.com/releases/2018/06/180622174752.htm (23 जून 2018 तक पहुँचा गया)। संदर्भ बाहरी लिंक सिओनिक्स प्रकाश न्यूयॉर्क टाइम्स लेख में "ब्लैक सिलिकॉन" लाता है (एनवाईटी सदस्यता की आवश्यकता है) सिओनिक्स होमपेज फोटोवोल्टिक के लिए लेजर-नॉलेज बेस लेजर पी. वी. दक्षता लेजर में सुधार करते हैं, प्लाज्मा एट प्रोसेडेस फोटोनिक्स-रीचेर्च-संरचना डु सिलिकियमः अनुप्रयोग एयू फोटोवोल्टिक (फ्रेंच में) सिलिकॉन सिलिकॉन, ब्लैक सिलिकॉन सौर कोशिकाओं इन्फ्रारेड सौर कोशिकाओं को पतली-फिल्म कोशिकाओं के रूप में बनाता है।