научная статья по теме ПОРИСТЫЙ КРЕМНИЙ В ПОРТАТИВНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «ПОРИСТЫЙ КРЕМНИЙ В ПОРТАТИВНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ»

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

FUEL CELL

УДК 541.133

ПОРИСТЫЙ КРЕМНИЙ В ПОРТАТИВНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

В.В. Старков1, Н.В. Дисков2, Ю.А. Добровольский2

1 Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН 142432 Московская обл., г. Черноголовка, ул. Институтская, д. 6 Тел.: +7 (496) 962-80-74, e-mail: starka@iptm.ru 2 Институт проблем химической физики РАН 142432 Московская обл., г. Черноголовка, пр. Акад. Семенова, д. 1 Тел.: +7 (496) 522-16-57, факс: +7 (496) 522-16-57, e-mail: dobr@icp.ac.ru

Заключение Совета рецензентов 05.08.09 Заключение Совета экспертов 10.08.09 Принято к публикации 15.08.09

В настоящей работе представлен обзор результатов научных и прикладных исследований, выполненных в ИПТМ РАН

и ИПХФ РАН, по использованию пористых кремниевых мембран для создания различных функциональных элементов топливных ячеек.

POROUS SILICON FOR MICRO FUEL CELLS

V.V. Starkov1, N.V. Lyskov2, Yu.A. Dobrovolsky2

'Institute of Microelectronics Technology and High Pure Materials RAS 6 Institutskaya str., Chernogolovka, Moscow reg., 142432, Russia Tel.: +7 (496) 962-80-74, e-mail: starka@iptm.ru 2Institute of Problems of Chemical Physics RAS 1 Acad. Semenov str., Chernogolovka, Moscow reg., 142432, Russia Tel.: +7 (496) 522-16-57, fax: +7 (496) 522-16-57, e-mail: dobr@icp.ac.ru

Referred: 05.08.09 Expertise: 10.08.09 Accepted: 15.08.09

This work presents the results of scientific and applied researches performed by the IMTHPM RAS and IPCP RAS. These researches focus on the porous silicon membranes application to create various functional components of PEMFC.

Виталий Васильевич Старков

Сведения об авторе: старший научный сотрудник ИПТМ РАН, канд. техн. наук.

Образование: кафедра «Полупроводниковые приборы», Севастопольский государственный технический университет (1971 г.).

Область научных интересов: технология микроэлектроники, нано- и микросистемная техника.

Публикации: более 200 научных работ.

-w I

Николай Викторович Лысков

Сведения об авторе: старший научный сотрудник ИПХФ РАН, канд. хим. наук.

Образование: Факультет наук о материалах, МГУ им. М.В. Ломоносова (2003 г.).

Область научных интересов:

твердые электролиты, материалы со смешанной электронно-ионной проводимостью, топливные элементы.

Публикации: 15 научных работ.

Введение

Проблема создания новых наноструктурирован-ных материалов может быть решена при реализации двух основных подходов. Первый связан со сборкой необходимого материала из отдельных атомов и молекул. При таком подходе возможно создание трехмерных объектов с заданными свойствами. Однако технологические сложности, возникшие на реализации этого пути, до сих пор не позволили предложить

конкурентоспособные технологии. Поэтому в настоящее время пристальное внимание отводится развитию методов наноструктурирования с применением селективного вытравливания части матрицы. Уникальной особенностью метода селективного травления является возможность реализации его локального варианта, при котором из объема матрицы удаляются или, наоборот, оставляются в матрице лишь определенные атомы или группы атомов. Таким образом, формируются области со структурой

-ЙЯ-

Статья поступила в редакцию 21.07.2009. Ред. рег. № 572

The article has entered in publishing office 21.07.2009. Ed. reg. No 572

78

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (76) 2009

© Scientific Technical Centre «TATA», 2009

|ЩЩЕ!

наноматериала и отличными от матрицы свойствами. Одним из наиболее известных наноматериалов, полученных таким способом, является пористый кремний (ПК) [1].

Особенности получения и характеристики пористого кремния

Одним из основных доступных способов получения пористого кремния являются методы анодного травления монокристаллических пластин кремния в растворах на основе плавиковой кислоты. Вытравливание пор представляет собой сложный гетерогенный процесс взаимодействия поверхности кремния с электролитом при воздействии анодного тока определенной величины. При этом возможность локализации анодного тока на поверхности пластин, например путем применения топологических масок [2], определяет возможность локального формирования на пластине пористых областей требуемой топологической конфигурации. Известны способы формирования пор в кремнии без применения анодного тока. Этим методам (например, методу лазерного испарения) присущи существенные недостатки, и потому они имеют ограниченные возможности применения. Среди способов формирования пористого кремния без дополнительного использования анодного тока травления необходимо выделить метод «неоднородного химического травления» (stain etching - SE). Как и при анодном травлении, в процессе SE используются растворы на основе плавиковой кислоты. Получаемые слои пористого кремния сравнимы по свойствам с аналогичными пленками, полученными анодным травлением. Главным достоинством является возможность формирования субмикронных топологических размеров SE-структур [3], а также простота метода. К недостаткам следует отнести малую толщину пористых слоев (до 1 мкм).

Обобщенные представления о формировании пор в кремнии при анодном травлении сводятся к следующим механизмам. Поверхность кремния, находящаяся в водных растворах плавиковой кислоты, насыщается водородом и становится инертной по отношению к электролиту. Если организовать, например, с помощью электрического поля для /»-типа и дополнительного фотовозбуждения для и-типа кремния, приток к границе раздела положительных зарядов (дырок), то они ослабят связь между атомами кремния. В результате поверхностные атомы кремния освобождаются от блокирующего водорода, взаимодействуют с электролитом, переходя в раствор. Если приток дырок достаточен для удаления всех поверхностных атомов кремния (плотность тока травления •/травл больше некоторой величины ./крит), осуществляется так называемое «полирующее» травление по всей площади границы раздела кремний-электролит. В случае уменьшения тока травления (•Лралл < Лрит) количество дырок недостаточно для получения сплошного фронта травления. Происхо-

дит вытравливание отдельных атомов. При этом удаляемый атом кремния оставляет на поверхности кремния углубление атомного размера (вакансию). За счет последующей диффузии собственных точечных дефектов, которая происходит в условиях воздействий электрического поля области обеднения на границе раздела, а также поля механических напряжений, на поверхности возникают области с повышенной концентрацией междоузлий и вакансий. Области с повышенной концентрацией междоузлий формируют на поверхности выступы, а скопления вакансий - впадины [4]. Эти неровности в свою очередь приводят к перераспределению приложенного электрического поля и дополнительному притоку положительно заряженных дырок в область удаленных атомов (дно впадин). В этих местах происходит преимущественное развитие пор. Расположение пор на поверхности пластин достаточно хорошо описывается дефектно-деформационным (ДД) механизмом, который впервые был теоретически разработан в работе [4]. Также был экспериментально обнаружен квазигексагональный порядок расположения пор, образующихся на поверхности в процессе анодного травления кремния. В продолжение этого была развита линейная теория спонтанного образования ансамблей пор [5] и на основе ДД механизма приведена интерпретация изменения симметрии в расположении ансамблей пор с квазигексагональной на линейную конфигурацию при анодном травлении од-ноосно напряженной пластины кремния [6]. Дальнейшее развитие ДД теории [7] позволило интерпретировать совокупность имеющихся экспериментальных данных как по динамике самопроизвольного образования ансамблей пор, так и по их статическим характеристикам: расстоянию между порами, симметрии в расположении и когерентности пор.

b

Рис. 1. Изображение скола кремниевой пластины с макропористым слоем: а - ориентация поверхности (111);

b - ориентация поверхности (100) Fig. 1. SEM micrograph of the silicon plate (cross section) with a macroporous layer: a - surface orientation (111); b - surface orientation (100)

Необходимо отметить, что формирование пор по глубине происходит вдоль определенного кристаллографического направления. Для кремния это направление <100>. На рис. 1, а представлено изображение фрагмента скола пористой структуры и морфологии пор, сформированных глубоким анодным травлением в кремнии с ориентацией поверхности пластины (111).

a

В отличие от этой «губчатой» структуры при травлении поверхности (100) образуется «столбчатая» структура пор, которые нормально расположены по отношению к травящейся поверхности (рис. 1, Ь), ПК можно рассматривать как монокристалл (С-Б1), содержащий развитую сеть пустот (пор). Пустоты в кристалле образуют губчатую или упорядоченную структуру каналов в кристаллическом скелетоне. Изменяя соотношение объемов кремния и пустот в структуре пористого материала, можно существенно изменять его физические свойства. При этом присутствие в матричной структуре различных наполнителей, адсорбированных веществ или функциональных групп может существенно влиять на функциональные свой-

ства таких композитных материалов. Уменьшение толщины кремниевых стенок пористой структуры до нанометровых размеров может приводить к возникновению квантово-размер-ных эффектов, которые вызывают повышенный интерес исследователей.

В табл. 1 приведены данные по изменению физических свойств монокристаллического кремния в зависимости от его пористости (Р81).

Утилизация тех или иных свойств пористого кремния позволяет широко применять его в различных устройствах как в качестве активного элемента, так и технологического слоя в процессе структурирования [1].

Таблица 1

Физические свойства пористого кремния в зависимости от пористости или размера пор

ТаЬ1е 1

Physical properties of porous silicon depending on porosity or pore size

Физическая характеристика C-Si PSi/ (пористость, %)

Модуль Юнга 160 ГПа 83 ГПа (20%) - 0,87 ГПа (90%)

Удельное сопротивление 0,01 > 1000 Ом-см 1010-1012 Ом-см - нанопористый

Запрещенная зона 1,12 эВ 1,4 эВ ( 70%) - 2 эВ (90%)

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком