porous_silicon_presentation

1.

Пористый кремний
методы формирования, свойства
и методы исследования
Презентация к курсовой / научноисследовательской работе
Сушков Алексей Евгеньевич
3 курс, 3 группа

2.

Актуальность темы
Почему por-Si остаётся важным объектом исследований
Пористый кремний объединяет свойства
наноматериала и технологическую
совместимость с кремниевой электроникой.
• интенсивная фотолюминесценция при комнатной
температуре;
• высокая удельная поверхность и развитая пористость;
• управляемая морфология пор и химия поверхности;
• возможность создания por-Si/металл композитов.
Ключевая проблема: стабильность, старение и управляемость
свойств
Пористый кремний: методы формирования, свойства и методы исследования
Микроструктура пористого слоя: изменение морфологии определяет свойства
материала
01

3.

Цель, объект и задачи работы
Цель
провести литературный обзор современных
представлений о свойствах, методах получения,
исследования и применения пористого
кремния.
Объект
наноструктуры на основе por-Si
Предмет
физические свойства, синтез и
методы исследования
1
2
3
4
5
6
свойства
получение
методы
исследования
старение
композиты
применение
Пористый кремний: методы формирования, свойства и методы исследования
02

4.

Что такое пористый кремний
Система пор в монокристаллическом кремнии с управляемыми параметрами
Главные
особенности
• размеры пор: от единиц нанометров до
микрометров;
• пористость может изменяться примерно от 5 до 95 %;
• внутренняя поверхность достигает сотен м²/см³;
• поверхность легко функционализируется.
нанометры
Поверхность por-Si с системой пор: высокая площадь внутренней
поверхности
Пористый кремний: методы формирования, свойства и методы исследования
микрометры
Размер пор задаётся режимом травления и определяет
оптические, электрические и адсорбционные свойства.
03

5.

Классификация пористых структур
Размер пор, пористость и морфология — основные признаки классификации
Нанопористый
Мезопористый
Макропористый
сильные квантово-размерные
эффекты
и высокая площадь поверхности
баланс прочности, адсорбции,
стабильности и
проницаемости
фотоника, сенсорика,
МЭМС и структурные
элементы
Дополнительная
классификация
• по морфологии: губчатая, столбчатая, древовидная, многослойная;
• по толщине слоя, ориентации и типу легирования подложки;
• по однородности распределения пор и способу формирования.
Пористый кремний: методы формирования, свойства и методы исследования
04

6.

Физические и химические свойства
Свойства por-Si определяются размером нанокристаллов и состоянием поверхности
Фотолюминес
ценция
видимое излучение за счёт квантового
ограничения носителей заряда
Адсорбция
поверхность чувствительна к
молекулам и внешней среде
Низкая
теплопроводн
ость
структура с пониженной плотностью и
развитой пористостью
Химическая
активность
оборванные связи, окисление,
гидратация, функционализация
Пористый кремний: методы формирования, свойства и методы исследования
Фотонные и оптические элементы — одно из направлений
применения por-Si
Состав поверхности
Si–Si Si–H Si–O–Si Si–OH
05

7.

Получение: электрохимическое
травление
Основной метод формирования por-Si — анодирование в растворах HF
Механизм
формирования
источник тока
1
2
3
4
генерация
носителей
локальное
растворение
рост пор
разветвление
структуры
HF + спирт
Si
электрод
Параметры
процесса
• плотность тока
• концентрация HF
• температура и время травления
• тип и уровень легирования Si
Пористый кремний: методы формирования, свойства и методы исследования
06

8.

Методы исследования por-Si
Комплексная диагностика объединяет морфологию, химию поверхности и фазовый
состав
РЭМ
ИК-спектроскопия
морфология, размеры пор,
толщина слоя, дефекты
Si–H, Si–O–Si, Si–OH; окисление и
старение
Рентгеновские
методы
XRD, XPS, XRR: структура, состав,
плотность и слои
Итог: совместное применение методов позволяет связать условия получения, состав поверхности и
функциональные свойства материала.
Пористый кремний: методы формирования, свойства и методы исследования
07

9.

Старение и деградация материала
Химически активная поверхность постепенно меняет состав и свойства
Основные
процессы
окисление
образование оксидных фаз кремния
гидратация
появление гидроксильных групп
адсорбция
связывание молекул на развитой
поверхности
изменение PL
снижение или сдвиг фотолюминесценции
Состояние пористого слоя чувствительно к условиям обработки и
хранения
Задача исследований — повысить стабильность и контролировать поверхность
por-Si
Пористый кремний: методы формирования, свойства и методы исследования
08

10.

Композитные структуры por-Si/металл
Металлизация расширяет функциональные возможности пористого кремния
Методы нанесения
металлов
• химическое и электрохимическое осаждение;
• вакуумно-термическое напыление;
• магнетронное распыление;
• электро-термодиффузия.
Расположение
металла
Что меняется
электропрово
дность
оптика
катализ
Пористый кремний: методы формирования, свойства и методы исследования
сенсорика
на поверхности
Измерение угла смачивания: металлизация меняет
поверхностные свойства
внутри пор
по толщине слоя
09

11.

Примеры: Ag, Au и Sn в матрице por-Si
Разные металлы дают разные функциональные эффекты
Датчики — одно из практических направлений для
металлизированного por-Si
Ag
Au
Sn
электро-термодиффузия
вакуумно-термическое
испарение
вакуумно-термическое
испарение
проводимость,
гидрофильность,
антимикробные свойства
химическая стабильность и
плазмонные эффекты
частичное окисление,
изменение поверхности
сенсоры, биосенсоры,
фотокатализ
биосенсоры, плазмоника,
микроэлектроника
газовые сенсоры,
электрохимические
устройства
Вывод: функционализация металлами позволяет целенаправленно менять электрические, оптические и сенсорные
свойства por-Si.
Пористый кремний: методы формирования, свойства и методы исследования
10

12.

Области применения por-Si
Высокая поверхность, оптические эффекты и биосовместимость определяют широкий спектр
применений
Сенсорика
Оптоэлектроника
газовые, химические, био- и оптические
сенсоры
светодиоды, фотодетекторы,
интерференционные структуры
por-Si
Фотоника
Биомедицина
фильтры, брэгговские зеркала, волноводы
доставка лекарств, тканевая инженерия,
биоимпланты
Энергетика
текстурированные поверхности и снижение
отражения
Пористый кремний: методы формирования, свойства и методы исследования
11

13.

Основные выводы
• por-Si — наноструктурированный материал с высокой удельной
поверхностью и управляемой морфологией;
• электрохимическое травление остаётся основным способом
получения;
• РЭМ, ИК-спектроскопия и рентгеновские методы дают комплексную
картину состава и структуры;
• композиты por-Si/металл повышают электрические, оптические и
сенсорные характеристики;
• ключевые задачи: стабильность, управление старением и создание
новых гибридных структур.
Ключевые источники
Леньшин и др., 2015; Кошевой и др., 2019; Kim et
al., 2024; Леньшин, Черноусова, Бормонтов, 2023
Спасибо за внимание
Пористый кремний: методы формирования, свойства и методы исследования
12