Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Работы научного коллектива в течение первого года реализации проекта были сегментированы по пяти ключевым направлениям, а именно: (1) получения структур с общим названием “чёрный кремний”, используя протоколы анизотропного влажного химического травления, включая металл-стимулированное травление в растворе HF:H2O2:Cu(NO3)2, травление в щелочных растворах (NaOH; NaOH:Na2CO3), а также текстурирование фемтосекундными лазерными импульсами в жидкости; (2) разработке эффективного протокола для анизотропного травления германия и получения антиотражающих структур; (3) модификации метода лазерного текстурирования кремния в жидкости для создания лазерно-индуцированных поверхностных структур на поверхности стальных подложек; (4) разработке технологии получения на различных текстурированных поверхностях новых функциональных покрытий – оптически чёрных силицидов и германидов щелочноземельных металлов методом силицидирования в условиях высокого вакуума на основе твердофазной эпитаксии; (5) созданию прототипов оптоэлектронных приборов (фотодетекторов) и поглотителей солнечного излучения, в которых используются преимущества исследуемых чёрных материалов, включая расширение спектрального диапазона, в котором проявляются антиотражающие свойства, уменьшение излучающей способности и, как следствие, тепловых потерь на излучение в инфракрасной области спектра, а также чувствительность антиотражающих свойств по отношению к поляризации падающего излучения. В рамках первого направления получены различные текстурированные поверхности кремния с морфологией в виде нормальных пирамид, инвертированных пирамид, лазерно-индуцированных поверхностных периодических структур (ЛИППС) и микроразмерных шипов с усреднённым коэффициентом оптического отражения от 1 до 10% в диапазоне от 200 до 1800 нм. В частности, разработана технология высокопроизводительной лазерной модификации в жидкости поверхности кремния фемтосекундными импульсами, которая обеспечивает скорость текстурирования около 1 см2 в час, не приводит к формированию заметного количества продуктов абляции в виде нано- и микрочастиц кремния и диоксида кремния. Антиотражающие свойства получаемых наноструктур являются стабильными во времени, а также устойчивы к вакуумному отжигу. Другой интересный факт - анизотропные нанорешётки (ЛИППС), демонстрируют зависимость антиотражающих свойств по отношению к поляризации падающего излучения в диапазоне, соответствующем собственному поглощению кремния, что позволит при выполнении следующих этапов проекта создать прототипы чувствительных к поляризации кремний-силицидных фотодетекторов. В результате работы над вторым направлением, был разработан и апробирован протокол для анизотропного влажного химического травления пластин Ge с ориентацией поверхности (001), использующий модифицированный раствор для очистки пластин кремния (раствор Пиранья). За счёт разбавления перекиси водорода в растворе, а также постоянного подогрева травителя, были получена однородная морфология поверхности в виде массива плотноупакованных Ge нормальных пирамид. Образцы характеризуются 3-ех кратным уменьшением усреднённого коэффициента отражения в диапазоне длин волн от 450 до 3000 нм по сравнению с нетекстурированной поверхностью германия. По итогам решения задач третьего направления разработан метод лазерного текстурирования стальных подложек в жидкости на основе модифицированного подхода к текстурированию кремния, который обеспечивает получение антиотражающих в диапазоне 280-2500 нм морфологий поверхности со средним коэффициентом отражения, не превышающим 10% при одновременно высоком коэффициенте отражения до 90% в диапазоне длин волны более 2500 нм или, другими словами, низкой излучающей способностью в ИК диапазоне. Полученные структуры характеризуются высокой стабильностью на воздухе, малым содержанием оксидов хрома и железа, а также высокой эффективностью фототермального и гибридного фототермоэлектрического преобразования при их использовании в качестве покрывающих материалов термоэлектрических элементов для их нагрева за счёт эффективного преобразования солнечной энергии в тепловую. Итогом реализации четвёртого направления стала отработка технология силицидирования (Mg2Si, CaSi2) текстурированных кремниевых поверхностей, полученных как различными методами анизотропного влажного химического травления, так и методами фемтосекундной лазерной абляции. Показано, что формирование сплошных (конформных) покрытий на основе силицида магния возможно исключительно на структурах с морфологией в виде массивов нормальных пирамид, а также на нанорешётках (ЛИППС), что подходит для создания на основе данных структур широкополосных фотодетекторов и гетеропереходных солнечных элементов. Напротив, исследование несплошных иерархически организованных наноструктур, образующихся при формированиии CaSi2 поверх лазерно-индуцированной шипообразной морфологии кремния, показало перспективность такого материала в задачах создания идеальных оптических поглотителей солнечного излучения. Так при помощи метода инфракрасной термометрии (ИК-камера) было установлено, что образцы чёрного CaSi2, сформированные на шипообразных структурах, обладают наибольшей эффективностью и скоростью нагрева под воздействием солнечного излучения, что согласуется с данными оптической спектроскопии, так как данный образец демонстрирует характеристики, близкие к идеальному поглотителю солнечного излучения (высокое поглощение в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах и одновременно высокое отражение в среднем инфракрасном диапазоне длин волн). При этом удалось получить 1.6-кратное увеличение удельного (в пересчёте на единицу площади материала) выходного электрического напряжения (и мощности) термоэлектрического элемента при использовании чёрного дисилицида кальция в качестве покрытия для “горячей” стороны элемента. Наконец, получены прототипы фотодетекторов на основе чёрного силицида магния, чёрного германида магния и чёрного дисилицида кальция, которые значительно расширяют функциональные возможности кремниевой и германиевой оптоэлектроники в части расширения спектрального рабочего диапазона, усиления фоточувствительности и наделения их поляризационной чувствительностью. Таким образом, реализация проекта идет в полном соответствии с заявленным планом работ, сформирован существенный научно-технических задел для достижения всех показателей, а также целей и задач проекта на втором этапе.