В начале 90-х моя группа в Гарварде занималась изучением каталитических реакций с помощью коротких лазерных импульсов. Целью было наблюдение за рождением молекулы. Молекулой, которую мы исследовали, был углекислый газ. В каждой машине есть каталитический конвертер, который обеспечивает конверсию монооксида углерода, оставшегося в выхлопе, в диоксид — углекислый газ. Итак, у вас есть CO (монооксид углерода), реагирующий с кислородом для образования диоксида углерода, и второй менее опасен, чем первый.

Это происходит с использованием каталитического конвертера, и важным материалом для каталитического конвертера служит платина. В течение многих лет мы исследовали эту реакцию, окисление монооксида углерода, используя очень короткие импульсы лазера, которые измеряются в фемтосекундах — миллионных или миллиардных долях секунды. Нам нужен был один лазерный импульс, чтобы начать реакцию, и второй, чтобы измерить количество монооксида углерода. Изменяя промежуток времени между этими импульсами, мы могли наблюдать рождение молекулы углекислого газа.

Рекомендуем по этой теме:
5806
Замедленный и остановленный свет

Я проводил эти исследования в течение многих лет, и они были успешны, однако в какой-то момент, как водится в научном мире, пришло время писать заявку на новый грант и просить денег на изучение чего-то нового. Однако у нас не было хороших идей. Нам еще много оставалось сделать по теме углекислого газа и монооксида углерода, но я боялся, что, если подам еще одну заявку, касающуюся окисления монооксида углерода на платине, мне ответят: «Простите, мы и так вас очень долго финансировали». В итоге моя заявка была в основном о монооксиде углерода на платине, но я добавил небольшой параграф, рассказывающий, что мы будем исследовать химические реакции на поверхности полупроводников. Месяц спустя, сидя в своем офисе, я получил звонок от монитора программы, сказавшего: «Мы рассмотрели вашу заявку и думаем вас спонсировать, однако нас особенно заинтересовало то, что вы написали о полупроводниках в конце. Вы не могли бы уточнить, что конкретно вы собираетесь делать?» На самом деле я написал это, не обдумав как следует, так что я пообещал, что пришлю пару уточняющих параграфов, и потом просто прислал список полупроводников, которые мы будем изучать, не разъясняя деталей химических реакций, которые будут происходить.

Как бы то ни было, мы получили грант. И конечно же, произошло очевидное: мы просто продолжили изучать окисление монооксида углерода на платине. Прошел один год, второй, и на третий я начал нервничать, поскольку понимал, что если мы не начнем изучать какой-то другой материал, то мы больше не получим финансирования. Я позвал своего аспиранта и сказал: «Нам очень надо начать исследования полупроводников». Он оглядел лабораторию и обнаружил коробку кремниевых полупроводниковых пластин, использовавшихся нами в совершенно другом проекте, а кремний — это же полупроводник. Так возник вопрос о газе. Монооксид углерода не очень интересен, так что студент заглянул в шкаф, где мы держали наши газы, и нашел цилиндр, содержащий гексафторид серы (SF6). Он увидел наклейку SF6 и особенно отметил F (фтор), который используется в полупроводниковой индустрии как травитель — для травки кремния. Мы предположили, что это интересная реакция.

Чего мой аспирант тогда не знал, так это то, что мне приходилось использовать гексафторид серы, когда я был постдоком, много лет назад, и что это безумно стабильная молекула. Как бы то ни было, он поместил кремний в камеру, выкачал воздух, добавил гексафторид серы, сфокусировал луч лазера на кремнии, заметил искру на поверхности кремния и просканировал эту поверхность. Затем, после окончания эксперимента, он заметил, что поверхность кремния стала черной, даже чернее черного. Так что он позвонил мне и сказал: «Он почернел!» Я спросил: «Как он мог почернеть?» И получил ответ: «Я не знаю. Приезжайте и посмотрите». Я приехал в лабораторию, и мы оба убедились в этом. Кремний в обычных условиях выглядит как отполированное зеркало, то есть не совсем как зеркало, поскольку он поглощает немного света, но также и отражает.

Мы поместили черный кремний под микроскоп, и даже там он выглядел черным. Потом мы обратились к электронному микроскопу и увидели, что поверхность кремния, которая обычно абсолютно гладкая, покрыта лесом из шипов — на самом деле там был будто лес конических шипов. Это было первым большим сюрпризом, и мы задумались: как это произошло? Затем мы начали изучать свойства этого материала, и там уже одна удивительная вещь сменялась другой. Выяснилось, что черным материал выглядел не только в видимом спектре, но и в ультрафиолетовом. Кремний обычно прозрачен в ультрафиолетовом спектре. Стекло, которое мы используем для окон, прозрачно в видимом спектре, и именно поэтому мы делаем из него окна. Стекло — это оксид кремния, то есть окисленный кремний. Кремний не такой, как стекло, но он тоже прозрачен — в другом участке спектра, а именно в ультрафиолетовом. Так что даже несмотря на то, что нашим глазам он не кажется прозрачным, если вы возьмете инфракрасный визор, вы сможете смотреть прямо сквозь кремний, так же как вы смотрите сквозь окно.

Рекомендуем по этой теме:
22873
4 мифа о свете

Тот факт, что материал стал черным, означал, что случилось нечто действительно особенное, а именно: мы изменили электрические свойства материала. Прошло много времени, прежде чем мы обнаружили, что это было. А произошло вот что: взаимодействие с лазерным импульсом вводит много серы — лазер как бы встраивает серу в кремний, так что помимо того, что поверхность кремния стала шершавой, сам кремний превратился почти что в сплав серы и кремния, и сера изменила оптоэлектрические свойства кремния.

Примерно в то же время мы обнаружили, что Министерство энергетики написало призыв к предоставлению предложений методов расширения чувствительности кремния в инфракрасную область спектра. Любая камера, любое детектирование света в видимом спектре сейчас осуществляется при помощи кремния: например, чипы во всех камерах Siemens кремниевые, и они работают только в видимом спектре, а не в инфракрасном. Если же вы хотите работать в инфракрасном спектре, вам понадобится другой материал. Я прочитал это обращение и подумал: «Это написано прямо для нас, надо составить запрос на грант». Я его составил и попросил много денег, решив просто рискнуть. В тот момент я не знал, был ли черный кремний лучше обычных черных волос, или черного пластика, или угля, — я знал только, что он поглощает свет. Чтобы детектировать свет, вам нужно превратить фотон в электрический сигнал — это то, на что не способны ни волосы, ни пластик, ни уголь. Как бы то ни было, в течение трех месяцев мне позвонили из Министерства энергетики и сказали, что нам дадут финансирование. Я спросил: «Сколько?» И мне ответили: «Всю сумму», на что я сказал: «Тогда мне точно надо показать, что это работает».

Я нанял аспиранта для работы над проектом — он перешел в Гарвард из Университета Мичигана. В течение года мы получили прототип кремниевого детектора, диапазон поглощения которого выходил за рамки ранее возможного для кремния в ближнюю инфракрасную область. Несколькими годами позднее тот аспирант выпустился, и мы с ним основали компанию. Я рад сообщить, что в нынешнем ее ассортименте есть формирователи изображений, очень похожие на те, что в камере, но действующие не только в видимом спектре, но и в инфракрасном.

После того как мы поручили компании разработки по детекции света, моя группа заинтересовалась изучением процесса. На каких физических феноменах он базируется? Как сера встраивается в кремний? Что важно: сера или другие материалы? Выясняется, что сера на самом деле очень важна, и нам действительно повезло (или моему аспиранту очень повезло) тогда, несколько лет назад, с выбором именно SF6. Он выбрал его из-за фтора, но выяснилось, что не он, а сера играла решающую роль в определении оптоэлектрических свойств материала.

Другое применение кремния и детекции света касается фотовольтаики и преобразования солнечной энергии в электрическую. Мы показали, что можно преобразовать энергию света в сигнал, который может быть использован для детекции.

Разумеется, другое значимое применение, которое сейчас очень важно, — это возможное использование его в качестве фотоэлектрического элемента, извлекающего энергию из солнечного спектра. В солнечном спектре значительная часть энергии находится в инфракрасной части. Обычный кремниевый элемент извлекает только часть этой энергии, потому что только часть энергии находится в видимой части солнечного спектра и не в инфракрасной. Но если использовать также инфракрасную часть, преобразование солнечной энергии в электричество будет эффективнее. Пока что мы не достигли желаемого. Нам удалось несколько увеличить эффективность солнечных элементов, но мы пока еще даже не приблизились к преобразованию сразу обеих частей спектра — и видимой, и инфракрасной. Мы по-прежнему проводим исследования, но перед нами еще много препятствий.

Есть два применения кремния в отношении света: один — это использование его в камерах и иже с ними, а второй — для генерации энергии. К сожалению, материалы, которые являются хорошими фотодетекторами, то есть хорошо детектирующими свет, обычно плохи в плане фотовольтаики. И наоборот, материалы с хорошими фотоэлектрическими свойствами — слабые детекторы. На данный момент мы показали, что черный кремний хорош для фотодетекции, что, если исходить из имеющегося опыта и здравого смысла, означает: черный кремний окажется не особенно хорошим фотоэлектрическим материалом. Пока что наши эксперименты показывают именно это.

Конечно, у черного кремния два основных свойства — это шершавость его поверхности, что делает его темным в видимом спектре и увеличивает поглощение света. Это помогает, и помогает значительно, существенно увеличивает поглощение света в кремниевых фотоэлементах. На самом деле фотоэлектрическая индустрия старается увеличить шершавость поверхности кремния различными методами, которые обычно обходятся дороже, чем наше лазерное сканирование, то есть для нас существует хорошая мотивация этим заниматься. Но в реальности использование допанта, то есть серы, в кремнии и этой промежуточной зоны, которая формируется между зоной проводимости и валентной зоной в материале, — это менее очевидные ходы. И ни одной из ныне работающих в этой сфере групп не удалось найти способы извлечения энергии. Это не значит, что это невозможно. Я всегда знал, исходя из своего опыта, что почти на каждом углу нас ожидают сюрпризы, и надо просто дать себе возможность их обнаружить, а посему мы продолжаем изучать эту увлекательную область.

Англоязычную версию видео можно посмотреть по ссылке.