Пористый кремний

Пористый кремний различного применения

Пористый кремний (por-Si, ПК) — наноструктурированный материал на основе монокристаллического кремния, пронизанный системой пор различного размера. Материал впервые получен А. Улиром (A. Uhlir) в 1956 году в ходе исследований электрохимической полировки кремниевых подложек. Благодаря развитой внутренней поверхности и уникальным оптическим свойствам пористый кремний находит применение в сенсорике, биомедицине и фотонике.

Классификация пористого кремния по размеру пор

Согласно классификации IUPAC (Международный союз теоретической и прикладной химии), пористый кремний подразделяют на три типа в зависимости от диаметра пор:

Тип	Диаметр пор	Удельная площадь поверхности
Микропористый	< 2 нм	300–800 м²/см³
Мезопористый	2–50 нм	100–300 м²/см³
Макропористый	> 50 нм	10–100 м²/см³

Пористость материала (доля объёма, занятая порами) может варьироваться от 5 до 95 % в зависимости от условий получения. При высокой пористости (более 70 %) кремний приобретает уникальные физические свойства, включая способность к фотолюминесценции в видимом диапазоне.

Способ получения пористого кремния

Основной метод производства — электрохимическое анодирование пластин монокристаллического кремния в растворе плавиковой кислоты (HF). Процесс проводят в электрохимической ячейке:

• Анод — кремниевая пластина (подложка)
• Катод — платиновая пластина
• Электролит — водно-спиртовой раствор HF (концентрация 10–50 %)

При подаче положительного потенциала на кремниевый электрод происходит локальное растворение материала с образованием пор. Морфология пор, их размер и пористость зависят от плотности анодного тока, концентрации HF в электролите, типа проводимости и уровня легирования исходной кремниевой подложки.

Влияние параметров анодирования

Толщина плёнки пористого кремния линейно зависит от времени травления и может составлять от долей микрометра до сотен микрометров. Увеличение плотности тока приводит к росту диаметра пор и повышению пористости.

Физические свойства пористого кремния

Свойства пористого кремния существенно отличаются от характеристик монокристаллического материала и определяются степенью пористости, геометрией пор и состоянием поверхности.

Электрофизические характеристики

Параметр	Значение	Примечание
Удельное электрическое сопротивление	10−2–1011 Ом·см	Зависит от условий травления
Теплопроводность (высокопористый)	~10 Вт/(м·К) при 300 K	На порядок ниже монокристаллического Si
Ширина запрещённой зоны	Увеличена на 0,1–0,5 эВ	Квантово-размерный эффект

Оптические свойства и люминесценция

Характерная особенность пористого кремния — способность к эффективной фотолюминесценции в видимой области спектра. Монокристаллический кремний практически не люминесцирует (квантовый выход менее 0,001 %), тогда как у пористого кремния квантовый выход фотолюминесценции может достигать нескольких процентов.

Эффективная люминесценция наблюдается при пористости выше 50 %. Изменяя условия анодирования, можно получать излучение красного, зелёного и синего цветов. Эффект связан с квантовым размерным ограничением в наноструктурах кремниевого скелета.

Применение пористого кремния

Развитая внутренняя поверхность и чувствительность электронных свойств к адсорбированным молекулам определяют основные направления использования материала.

Сенсоры и датчики

Высокая удельная площадь поверхности позволяет создавать на основе пористого кремния:

• Датчики влажности
• Газовые сенсоры
• Химические и биологические сенсоры

Принцип действия основан на изменении ёмкостных, проводящих или люминесцентных характеристик при адсорбции целевых молекул на поверхности пор.

Биомедицинские применения

Пористый кремний биосовместим: он не токсичен для организма, а продукты его окисления (оксид кремния) химически инертны. В зависимости от пористости материал может быть биорезистивным (не взаимодействует с тканями) или биорезорбируемым (постепенно растворяется в организме).

Направления применения в медицине:

• Адресная доставка лекарственных препаратов (наноконтейнеры)
• Биосенсоры, в том числе неинвазивные глюкометры
• Фотодинамическая терапия (генерация синглетного кислорода)
• Тканевая инженерия (матрицы для выращивания тканей)

Оптоэлектроника и фотоника

Люминесцентные свойства делают пористый кремний перспективным для создания:

• Светоизлучающих устройств видимого диапазона
• Оптических волноводов (за счёт пониженного показателя преломления)
• Оптических микрорезонаторов
• Источников единичных фотонов для квантовых технологий

Особенности работы с пористым кремнием

При определённых условиях в присутствии окислителя пористый кремний склонен к воспламенению и детонации при механических, электрических или термических воздействиях. Энергия детонации наноструктурированного пористого кремния примерно в четыре раза превосходит энергию ТНТ. Это свойство исследуется для применения в системах инициации подушек безопасности автомобилей и микродвигателях.

Другая особенность — нестабильность свойств на воздухе. Постепенное окисление пористого слоя при хранении приводит к снижению фотолюминесценции и ухудшению сорбционных характеристик. Для стабилизации применяют различные методы пассивации поверхности.

Формы поставки

Пористый кремний поставляется в виде:

• Плёнок на кремниевых подложках
• Отделённых от подложки мембран
• Порошков и частиц различной дисперсности

Параметры материала (тип пористости, размер пор, толщина слоя) определяются техническим заданием заказчика. Для получения материала с требуемыми характеристиками необходимо предоставить информацию о планируемом применении.