Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Чтобы узнать о других значениях, см. Кремний .

Пористый кремний (сокращенно «PS» или «pSi») представляет собой форму химического элемента кремния , который привнес нанопоры в свою микроструктуру , обеспечивая большое отношение поверхности к объему порядка 500 м 2 / см 3 .

История [ править ]

Пористый кремний был случайно открыт в 1956 году Артуром Улиром-младшим и Ингеборгом Улиром в Bell Labs в США. В то время ульгиры разрабатывали технику полировки и придания формы поверхности кремния и германия . 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 Кэнхем , работая в Агентстве оборонных исследований в Англии, предположил, что пористый кремний может проявлять эффекты квантового ограничения. [2] За интуицией последовали успешные экспериментальные результаты, опубликованные в 1990 году. В опубликованном эксперименте было обнаружено, что кремниевые пластины могут излучать свет, если подвергаются электрохимическому и химическому растворению.

Опубликованный результат вызвал интерес научного сообщества к его нелинейным оптическим и электрическим свойствам. 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 росло экспоненциально с 1991 по 1995 год [3].

В 2001 году группа ученых из Технического университета Мюнхена непреднамеренно обнаружила, что гидрогенизированный пористый кремний взрывоопасно реагирует с кислородом при криогенных температурах, выделяя в несколько раз больше энергии, чем эквивалентное количество тротила , с гораздо большей скоростью. (Резюме исследования можно найти ниже.) Взрыв происходит потому, что кислород, который находится в жидком состоянии при необходимых температурах, способен чрезвычайно быстро окисляться через пористую молекулярную структуру кремния, вызывая очень быстрое и эффективное детонация. Хотя гидрогенизированный пористый кремний, вероятно, не был бы эффективным в качестве оружия, из-за того, что он работает только при низких температурах, изучаются другие возможности его использования на предмет его взрывных свойств, таких как обеспечение тяги для спутников .

Изготовление пористого кремния [ править ]

Анодирование и травление пятна - два наиболее распространенных метода, используемых для изготовления пористого кремния; однако существует почти двадцать других методов изготовления этого материала. [4] Впоследствии может потребоваться сушка 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. [5]

Анодирование [ править ]

Схематическое изображение ячейки анодирования

Один из методов введения пор в кремний - это использование ячейки анодирования. В возможной ячейке анодирования используются платиновый катод и анод кремниевой пластины, погруженные в фтористый водород (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 анода производится путем запуска электрического тока через ячейку. Следует отметить, что работа на постоянном токе обычно применяется для обеспечения постоянной концентрации HF на концах, что приводит к более однороднойслой пористости, хотя импульсный ток больше подходит для формирования толстых кремниевых пластин размером более 50 мкм. [6]

Халимауи отметил, что выделение водорода 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 обрабатывают абсолютным этанолом в концентрации, превышающей 15%. Было обнаружено, что введение этанола устраняет водород и обеспечивает полную инфильтрацию раствора HF в поры. Впоследствии улучшается равномерное распределение пористости и толщины.

Окрашивание пятен [ править ]

Пористый кремний можно получить травлением фтористоводородной кислотой , азотной кислотой и водой . В публикации 1957 года было показано, что окрашивающие пленки можно выращивать в разбавленных растворах азотной кислоты в концентрированной плавиковой кислоте. [7] Образование пористого кремния путем травления пятен особенно привлекательно из-за его простоты и наличия легко доступных коррозионных реагентов; а именно азотная кислота (HNO 3 ) и фтороводород (HF). Кроме того, протравливание полезно, если нужно получить очень тонкие пористые пленки Si. [8] Публикация Р.Дж. Арчера в 1960 году показала, что можно создавать окрашивающие пленки толщиной всего 25 Å путем травления пятен с помощью HF-HNO.3 решение.

Синтез снизу вверх [ править ]

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. [9]

Сушка пористого кремния [ править ]

Пористый кремний систематически склонен к образованию трещин при испарении воды. Трещины особенно заметны в толстых или высокопористых слоях кремния. [10] Происхождение трещин было связано с большим капиллярным напряжением из-за мельчайших размеров 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 в толстых слоях 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 эффективной техникой сушки, но она довольно дорога и сложна в реализации. Впервые он был реализован Canham в 1994 году и включает перегрев жидкой поры выше критической точки, чтобы избежать межфазного натяжения. [11]

Сублимационной сушки

Процедура сублимационной сушки была впервые описана примерно в 1996 году. [12] После образования пористого кремния образец замораживают при температуре около 200 К и сублимируют в вакууме. [13]

Пентановая сушка

В этой технике в качестве сушильной жидкости используется пентан вместо воды. При этом уменьшается капиллярное напряжение, поскольку пентан имеет более низкое поверхностное натяжение, чем вода. [14]

Медленное испарение

После промывки водой или этанолом может применяться метод медленного испарения . Было обнаружено, что медленное испарение снижает плотность ловушки.

Модификация поверхности пористого кремния [ править ]

Поверхность пористого кремния может быть модифицирована для проявления различных свойств. Часто свежепротравленный пористый кремний может быть нестабильным из-за скорости его окисления в атмосфере или непригоден для прикрепления элементов. Следовательно, его поверхность можно модифицировать для улучшения стабильности и прикрепления клеток.

Модификация поверхности, улучшающая стабильность [ править ]

После образования пористого кремния его поверхность покрывается ковалентно связанным водородом. Хотя поверхность, покрытая водородом, достаточно стабильна при воздействии инертной атмосферы в течение короткого периода времени, длительное 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.

Подход, который может быть применен, основан на термическом окислении . 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 пассивации поверхности . [15]

Пористый кремний демонстрирует высокую степень биосовместимости . Большая площадь поверхности позволяет органическим молекулам хорошо прилипать. Это разлагается до Orthosillicic кислоты (H 4 SiO 4 ) , [16] , который не вызывает никакого вреда организму. Это открыло возможности для применения в медицине, например, для определения структуры роста костей .

Модификация поверхности, улучшающая адгезию клеток [ править ]

Модификация поверхности также может влиять на свойства, способствующие адгезии клеток . В одном конкретном исследовании 2005 г. изучалась адгезия клеток млекопитающих на модифицированных поверхностях пористого кремния. Научно - исследовательская использовали крыса РС12 клетку и человеческий объектив Эпителиальные (HLE) клетки культивировали в течение четырех часов на поверхности модифицированных пористый кремний. Затем клетки окрашивали витальным красителем FDA и наблюдали под флуоресцентной микроскопией . В результате исследования был сделан вывод, что « аминосиланизация и покрытие поверхности pSi коллагеном усиливают прикрепление и распространение клеток». [17]

Классификация пористого кремния [ править ]

Пористость [ править ]

Пористость определяется как доля пустот в слое pSi, и ее можно легко определить путем измерения веса. [6] Во время формирования слоя пористого кремния путем 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 Кэнхэмом в 1995 году, показало, что «слой высокопористого кремния толщиной 1 мкм полностью растворился в течение дня in vitro воздействия имитируемой жидкости организма ». [18]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 [ править ]

Величина пористости кремния является макроскопическим параметром и 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; макропористые , мезопористые и микропористые .

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

Ключевые характеристики пористого кремния [ править ]

Свойства, которыми легко управлять [ править ]

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. [18] В исследовании in vitro использовалась смоделированная жидкость организма, содержащая ионы в концентрации, 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 [ править ]

Первые признаки пористого кремния как биологически активного материала были обнаружены в 1995 году. В ходе проведенного исследования было обнаружено, что рост гидроксиапатита происходил на участках пористого кремния. Затем было высказано предположение, что «гидратированный микропористый Si может быть биоактивной формой полупроводника, и было высказано предположение, что сам Si следует серьезно рассмотреть для разработки в качестве материала для широко распространенных приложений in vivo ». [18] В другой статье опубликовано открытие, что пористый кремний может быть использован в качестве подложки для роста гидроксиапатита либо путем простого пропитывания, либо путем взаимодействия лазера с жидкостью и твердым телом. [19]

С тех пор были проведены исследования in vitro для оценки взаимодействия клеток с пористым кремнием. Исследование взаимодействия клеток гиппокампа крысы B50 с пористым кремнием в 1995 году показало, что клетки B50 имеют явное предпочтение в отношении адгезии к пористому кремнию, а не к необработанной поверхности. Исследование показало, что пористый кремний может быть подходящим для целей культивирования клеток и может использоваться для контроля структуры роста клеток. [20]

Нетоксичные отходы [ править ]

Еще одним положительным признаком пористого кремния является разложение пористого кремния на мономерную кремниевую кислоту (SiOH4). Кремниевая кислота считается наиболее естественной формой элемента в окружающей среде и легко удаляется почками .

Плазма крови человека 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. [21]

Супергидрофобность [ править ]

Простая регулировка морфологии пор и геометрии пористого кремния также предлагает удобный способ контролировать его характеристики смачивания. Стабильные ультра- и сверхгидрофобные состояния на пористом кремнии могут быть изготовлены и использованы в лаборатории на чипе , микрофлюидальных устройства для улучшения поверхности на основе биоанализа. [22]

Оптические свойства [ править ]

pSi демонстрирует оптические свойства, основанные на пористости и среде 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 приводит к смещению спектра в сторону большей длины волны . [23]

См. Также [ править ]

  • Нанокристаллический кремний
  • Кремний
  • Пористость
  • Квантовая проволока
  • Офорт (микротехнология)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Canham, Ли Т. (10 апреля 1993). «Светлое будущее для 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 позволить им это сделать» . Новый ученый . Проверено 25 февраля 2013 года .
  2. ↑ Sailor Research Group, 17 февраля 2003 г., Введение в пористый Si , исследовательская группа Sailor в UCSD, факультет химии, Калифорнийский университет.
  3. ^ Parkhutik, Вера (2000). Журнал пористых материалов . 7 : 363–366. DOI : 10,1023 / A: 1009643206266 . Отсутствует или пусто |title=( справка )
  4. ^ Karbassian F. 2018, "Пористый кремний", в Пористость - процессов, технологий и приложений , Ghrib, TH, IntechOpen, Лондон, ISBN 978-1-78923-043-7 С. 3-36.. DOI : 10,5772 / intechopen.72910 
  5. ↑ Porous Silicon Fabrication, получено 3 апреля 2016 г.
  6. ^ a b Халимауи А. 1997, "Формирование пористого кремния путем анодирования", в Свойства пористого кремния . Canham, LT, Институт инженерии и технологий, Лондон, ISBN 0-85296-932-5, стр. 12–22. 
  7. ^ Арчер, Р. (1960). «Пятно на кремнии». Журнал физики и химии твердого тела . 14 : 104–110. Bibcode : 1960JPCS ... 14..104A . DOI : 10.1016 / 0022-3697 (60) 90215-8 .
  8. ^ Coffer JL 1997, «формирование пористого кремния путем травления пятна», в свойствах пористого кремния , Canham, LT, Институт техники и технологии, Лондон, ISBN 0-85296-932-5 стр. 23-28. 
  9. ^ http://www.nature.com/ncomms/2014/140410/ncomms4605/full/ncomms4605.html
  10. ^ Беллет Д. 1997, "Сушка пористого кремния", Свойства пористого кремния , Кэнхэм, LT, Институт инженерии и технологий, Лондон, ISBN 0-85296-932-5 стр. 38-43. 
  11. ^ Canham, LT; Cullis, AG; Пикеринг, С .; Dosser, OD; Кокс, Т.И.; Линч, Т.П. (1994). «Анодированные люминесцентные аэрокристаллические сетки из кремния, полученные сверхкритической сушкой». Природа . 368 (6467): 133. Bibcode : 1994Natur.368..133C . DOI : 10.1038 / 368133a0 .
  12. ^ Амато, Г. (1996). «Пористый кремний, полученный путем сублимационной сушки». Материалы Письма . 26 (6): 295–298. DOI : 10.1016 / 0167-577X (95) 00244-8 .
  13. ^ Скотт, SM; Джеймс, Д .; Али, З .; Бушаур, М. (2004). «Влияние высыхания на пористый кремний». Журнал термического анализа и калориметрии . 76 (2): 677. DOI : 10,1023 / Б: JTAN.0000028047.00086.ef .
  14. ^ Ван, Фугуо; Сонг, Шиён; Чжан, Цзюньянь (2009). «Текстурирование поверхности пористого кремния с капиллярным напряжением и его супергидрофобность». Химические связи (28): 4239. DOI : 10.1039 / b905769b . PMID 19585033 . 
  15. ^ Chazalviel JN, Ozanam F. 1997, "Поверхностная модификация пористого кремния", в Properties of Porous Silicon, Canham , LT, Institution of Engineering and Technology, London, ISBN 0-85296-932-5 pp. 59–65. 
  16. ^ Тантави и др. al. Пористая силиконовая мембрана для исследования трансмембранных белков, Журнал сверхрешеток и микроструктур, Vol. 58, 2013, страницы 78-80
  17. ^ Низкий, SP; Уильямс, KA; Canham, LT; Voelcker, NH (2006). «Оценка адгезии клеток млекопитающих на пористом кремнии с модифицированной поверхностью». Биоматериалы . 27 (26): 4538–46. DOI : 10.1016 / j.biomaterials.2006.04.015 . PMID 16707158 . 
  18. ^ a b c Кэнхэм, Ли Т. (1995). «Изготовление структуры биоактивного кремния с помощью методов нанотравления». Современные материалы . 7 (12): 1033–1037. DOI : 10.1002 / adma.19950071215 .
  19. ^ 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 : 2004Vacuu..76..135P . DOI : 10.1016 / j.vacuum.2004.07.004 .
  20. ^ Сапелкин, А .; Bayliss, S .; Унал, Б .; Хараламбу, А. (2006). «Взаимодействие клеток гиппокампа крысы B50 с окрашенным пористым кремнием». Биоматериалы . 27 (6): 842–6. DOI : 10.1016 / j.biomaterials.2005.06.023 . PMID 16098578 . 
  21. ^ Canham, LT, Aston R. (июль 2001). «Будет ли чип каждый день держать доктора подальше?». Мир физики . 14 (7): 27–32. DOI : 10.1088 / 2058-7058 / 14/7/31 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  22. ^ Ressine, A .; Марко-Варга, Г .; Лорелл, Т. (2007). «Технология микрочипов пористого кремниевого белка и ультра- / супергидрофобные состояния для улучшенного биоаналитического считывания». Ежегодный обзор биотехнологии . 13 : 149–200. DOI : 10.1016 / S1387-2656 (07) 13007-6 . ISBN 9780444530325. PMID  17875477 .
  23. ^ Ouyang, Huimin (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 [ править ]

  • Feng ZC; 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 : 2001PhRvL..87f8301K . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.87.068301 . PMID  11497868 .