Kisel är elektronikindustrins arbetshäst, fungerar som basmaterial för de små transistorerna som gör det möjligt för digitala klockor att ticka och datorer att beräkna. Nu har forskare lyckats skapa nästan atomärt platt kisel, av den inriktning som används av elektronikindustrin, i en rumstemperaturreaktion. Det platta kislet kan en dag fungera som basen för nya biologiska och kemiska sensorer. Forskarna kommer att presentera sitt arbete på AVS 59th International Symposium and Exhibition, hölls 28 oktober – 2 november i Tampa, Fla.
"I huvudsak, vi har gjort perfekta silikonytor i en bägare, " säger teamledaren Melissa Hines, en kemist vid Cornell University. Forskare hade gjort perfekt platt kisel tidigare, men det tidigare arbetet fokuserade på silikonytor skurna längs ett plan av kristallen som inte används inom elektronikindustrin. Hines team har skapat de plana ytorna längs med industristandardens kristallorientering.
Skapandet av lagets första nästan atomiskt plana yta kom som lite av en överraskning. Det ansågs allmänt att upplösningsprocessen som teamet använde för att rengöra kislet blev grov, stötiga ytor. Hines arbetade på ett granskningspapper och hade bett en av sina doktorander att ta en bild av ytan med hjälp av ett instrument som kallas ett scanning tunneling microscope (STM) som kan avbilda ytor till detaljer på atomnivå. "När vi tittade på ytan, vi insåg oväntat, 'Hallå, det här ser faktiskt väldigt platt ut, " säger Hines.
Mikroskopbilderna visade en yta med alternerande rader med en atom breda rader. Med hjälp av ytterligare verktyg för datorsimuleringar och infraröd spektroskopi fastställde forskarna att kiselatomerna i raderna var bundna till väteatomer som fungerade som ett vax, förhindrar att ytan reagerar ytterligare när den väl släppts ut i luften. "Vad det betyder är att om du tar den här perfekt plana ytan, dra ut det ur de vattenhaltiga reaktanterna, och skölj av det, du kan låta den ligga i rumsluften i storleksordningen 10-20 minuter utan att den börjar reagera, " säger Hines. "Om du hade sagt till mig som doktorand att du kunde ha en ren yta som bara kunde hänga ute i luften i 10 minuter, Jag skulle ha trott att du var galen."
Teamet tror att en del av anledningen till att deras kiselytor är så plana är att de doppar skivorna in och ut ur lösningen ungefär var 15:e sekund, förhindrar att bubblor från reaktionen byggs upp och orsakar ojämn etsning. Dock, de krediterar också STM-bilderna för att de hjälpte dem att inse hur plana ytorna var. Teamet byggde upp informationen från bilderna genom att använda datorsimuleringar och andra verktyg för att avslöja de exakta kemiska reaktionsstegen som ägde rum i lösning. "Experimentellt, det här är väldigt enkelt experiment:du tar en bit kisel, du virvlar den i en bägare med lösning, och sedan drar du ut den och tittar på den. För att vara ärlig, Det finns ingen anledning att tro att Bell Labs inte gjorde en yta lika bra som vår för tjugo år sedan, men de tittade inte på det med STM, så de visste inte, säger Hines.
Hines team arbetar nu med att lägga till molekyler till den atomiskt släta, väteterminerad kiselyta i hopp om att bygga nya kemiska eller biologiska sensorer. "Vid denna punkt, Jag kan inte berätta exakt hur vi ska åstadkomma detta, men vi har lovande resultat och hoppas kunna rapportera mer snart, säger Hines.
