Extremt fina porösa strukturer med små hål, liknar en sorts svamp på nanonivå, kan genereras i halvledare. Detta öppnar för nya möjligheter för realisering av små sensorer eller ovanliga optiska och elektroniska komponenter. Det har redan gjorts experiment inom detta område med porösa strukturer gjorda av kisel. Nu, forskare vid TU Wien har utvecklat en metod för kontrollerad tillverkning av porös kiselkarbid. Kiselkarbid har betydande fördelar jämfört med kisel; den har större kemisk resistens, och kan därför användas för biologiska tillämpningar, till exempel, utan att någon ytterligare beläggning krävs.

För att demonstrera potentialen i denna nya teknik, forskarna integrerade en speciell spegel som selektivt reflekterar olika färger av ljus i en SiC-skiva genom att skapa tunna lager med en tjocklek på cirka 70 nm vardera och med olika grader av porositet.

"Det finns en hel rad spännande tekniska möjligheter tillgängliga för oss när vi gör en porös struktur med otaliga nanohål från en solid bit av ett halvledarmaterial, " säger Markus Leitgeb från Institute of Sensor and Actuator Systems vid TU Wien. Leitgeb utvecklade den nya materialbearbetningstekniken som en del av sin avhandling. "Den porösa strukturen påverkar det sätt på vilket ljusvågor påverkas av materialet. Om vi ​​kan kontrollera porositeten, det betyder att vi också har kontroll över materialets optiska brytningsindex."

Detta kan vara mycket användbart inom sensorteknik, t.ex. brytningsindex för små mängder vätska kan mätas med hjälp av en porös halvledarsensor, vilket möjliggör en tillförlitlig åtskillnad mellan olika vätskor.

Ett annat attraktivt alternativ ur ett applikationsorienterat perspektiv är att först göra vissa områden av SiC-skivan porösa på ett mycket lokaliserat sätt, innan ett nytt SiC-lager deponeras över dessa porösa områden, och sedan få den senare att kollapsa på ett kontrollerat sätt – den här tekniken producerar mikrostrukturer och nanostrukturer som också kan spela en nyckelroll inom sensorteknik.

Dock, det är avgörande att lämpligt utgångsmaterial väljs. "Tills nu, kisel har använts för detta ändamål, ett material som vi redan har mycket erfarenhet av, " säger professor Schmid. Silicon har också betydande nackdelar, dock; under svåra miljöförhållanden som extrem värme eller i alkaliska lösningar, strukturer gjorda av kisel attackeras och förstörs snabbt. Därför, sensorer av kisel är ofta inte lämpliga för biologiska eller elektrokemiska tillämpningar.

Av denna anledning, forskare försökte uppnå något liknande med halvledaren kiselkarbid, som är biokompatibel och betydligt mer robust ur ett kemiskt perspektiv. Några speciella trick krävdes, dock, för att producera porösa strukturer från kiselkarbid.

Den färgselektiva spegeln

Först, ytan rengörs, och sedan delvis täckt med ett tunt lager platina. Kiselkarbiden sänks sedan ned i en etslösning och utsätts för UV-ljus, för att initiera oxidationsprocesserna. Detta gör att ett tunt poröst lager – initialt 1 μm tjockt – bildas i dessa områden som inte är belagda med platina. En elektrisk laddning appliceras då också för att exakt kunna ställa in porositeten och tjockleken på de efterföljande skikten. Här, det första porösa skiktet främjar bildandet av de första porerna när den elektriska laddningen appliceras.

"Den porösa strukturen sprider sig från ytan längre och längre in i materialets inre, " förklarar Markus Leitgeb. "Genom att justera den elektriska laddningen under denna process, vi kan kontrollera vilken porositet vi vill ha på ett givet djup." det var möjligt att producera en komplex skiktad struktur av kiselkarbidskikt med högre och lägre nivåer av porositet, som slutligen separeras från bulkmaterialet genom att applicera en högspänningspuls. Tjockleken på de enskilda skikten kan väljas så att den skiktade strukturen reflekterar vissa ljusvåglängder särskilt väl eller låter vissa ljusvåglängder passera igenom, vilket resulterar i en integrerad, färgselektiv spegel.

"Vi har därmed visat att vår nya metod kan användas för att tillförlitligt kontrollera porositeten hos kiselkarbid i mikroskopisk skala, " säger Ulrich Schmid. "Denna teknik lovar många potentiella tillämpningar, från antireflekterande beläggningar, optiska eller elektroniska komponenter och speciella biosensorer, genom till resistenta superkondensatorer."