Næsten atomisk fladt silicium kan være med til at bane vejen for nye kemiske sensorer

Silicium er elektronikindustriens arbejdshest, fungerer som basismateriale for de bittesmå transistorer, der gør det muligt for digitale ure at tikke og computere at beregne. Nu er det lykkedes forskere at skabe næsten atomisk fladt silicium, den orientering, der bruges af elektronikindustrien, i en stuetemperaturreaktion. Det flade silicium kan en dag tjene som base for nye biologiske og kemiske sensorer. Forskerne vil præsentere deres arbejde på AVS 59th International Symposium and Exhibition, afholdt 28. oktober – 2. november i Tampa, Fla.

"I bund og grund vi har lavet perfekte siliciumoverflader i et bægerglas, " siger teamleder Melissa Hines, en kemiker ved Cornell University. Forskere havde lavet perfekt fladt silicium før, men det tidligere arbejde fokuserede på siliciumoverflader skåret langs et plan af krystallen, som ikke bruges i elektronikindustrien. Hines' team har skabt de flade overflader langs industristandard krystalorientering.

Oprettelsen af ​​teamets første næsten atomisk flade overflade kom lidt af en overraskelse. Det var en udbredt opfattelse, at den opløsningsproces, holdet brugte til at rense siliciumet, efterlod grov, ujævne overflader. Hines arbejdede på et reviewpapir og havde bedt en af ​​sine kandidatstuderende om at tage et billede af overfladen ved hjælp af et instrument kaldet et scanning tunneling microscope (STM), der kan afbilde overflader til detaljer på atomniveau. "Da vi så på overfladen, vi indså uventet, 'Hej, det ser faktisk meget fladt ud, " siger Hines.

Mikroskopbillederne viste en overflade med skiftende enkeltatom-brede rækker. Ved hjælp af de ekstra værktøjer til computersimuleringer og infrarød spektroskopi fastslog forskerne, at siliciumatomerne i rækkerne var bundet til brintatomer, der virkede som en voks, forhindrer overfladen i at reagere yderligere, når den er sat ud i luften. "Det betyder, at hvis du tager denne helt flade overflade, træk det ud af de vandige reaktanter, og skyl det af, du kan lade den ligge i rumluften i størrelsesordenen 10-20 minutter, uden at den begynder at reagere, " siger Hines. "Hvis du havde fortalt mig som kandidatstuderende, at du kunne have en ren overflade, der bare kunne hænge ude i luften i 10 minutter, Jeg ville have troet, du var skør."

Teamet mener, at en del af grunden til, at deres siliciumoverflader er så flade, er, at de dypper skiverne ind og ud af opløsningen cirka hvert 15. sekund, forhindrer bobler fra reaktionen i at opbygge sig og forårsage ujævn ætsning. Imidlertid, de krediterer også STM-billederne for at hjælpe dem med at indse, hvor flade overfladerne var. Holdet byggede informationen fra billederne af ved at bruge computersimuleringer og andre værktøjer til at afsløre de nøjagtige kemiske reaktionstrin, der fandt sted i opløsning. "Eksperimentelt, dette er meget simpelt eksperiment:du tager et stykke silicium, du hvirvler det i et bægerglas med opløsning, og så trækker du det ud og ser på det. For at være ærlig, der er ingen grund til at tro, at Bell Labs ikke lavede en overflade så god som vores for tyve år siden, men de så ikke på det med STM, så de vidste ikke, siger Hines.

Hines' team arbejder nu på at tilføje molekyler til den atomisk glatte, hydrogentermineret siliciumoverflade i håbet om at bygge nye kemiske eller biologiske sensorer. "På dette tidspunkt, Jeg kan ikke fortælle dig præcis, hvordan vi vil opnå dette, men vi har lovende resultater og håber snart at kunne rapportere mere, «siger Hines.