Atomistic dynamics of early oxidation of Si upon ultra-short pulsed laser heating
यह अध्ययन प्रायोगिक सत्यापन के साथ रिएक्टिव मॉलिक्यूलर डायनेमिक्स सिमुलेशन को जोड़कर यह प्रदर्शित करता है कि अल्ट्रा-शॉर्ट पल्स्ड लेजर हीटिंग के तहत सिलिकॉन का प्रारंभिक ऑक्सीकरण पिघलने के बिंदु से नीचे नगण्य वृद्धि से लेकर क्षणिक पिघले हुए सिलिकॉन परत के भीतर तीव्र, विसरण-नियंत्रित ऑक्साइड निर्माण में संक्रमण द्वारा शासित होता है।
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सिलिकॉन आधुनिक दुनिया की शांत नींव है, वह सामग्री जो हमारे फोन, कंप्यूटर और सौर पैनलों के भीतर मौजूद नन्हे चिप्स बनाती है। इन उपकरणों को विश्वसनीय रूप से काम करने के लिए, इंजीनियर अक्सर सिलिकॉन पर जंग की एक बहुत पतली परत चढ़ाते हैं, जिसे सिलिकॉन डाइऑक्साइड के रूप में जाना जाता है। यह कोटिंग एक ढाल के रूप में कार्य करती है, जो नाजुक इलेक्ट्रॉनिक्स को नुकसान से बचाती है और उन्हें बिजली का संचालन ठीक से करने में मदद करती है। आमतौर पर, इस सुरक्षात्मक परत को एक गर्म ओवन में धीरे-धीरे विकसित किया जाता है, एक ऐसी प्रक्रिया जिसमें घंटों लग सकते हैं। हालाँकि, वैज्ञानिकों ने खोजा है कि यदि वे सिलिकॉन पर लेजर प्रकाश के एक अविश्वसनीय रूप से तेज़ पल्स (धमाके) से प्रहार करते हैं, तो एक ही तरह की परत एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से में बन सकती है। रहस्य यह था कि यह इतनी जल्दी कैसे होता है। लेजर सतह को इतनी तेज़ी से गर्म करता है कि सिलिकॉन केवल गर्म ही नहीं होता; बल्कि यह थोड़े समय के लिए तरल में बदल जाता है, और सवाल यह है कि क्या पिघलने का यह क्षणिक क्षण ही सुरक्षात्मक कोटिंग के तीव्र विकास की कुंजी है।
फ्रांस के शोधकर्ताओं की एक टीम ने शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन और प्रत्यक्ष अवलोकन को जोड़कर इस रहस्य की परतों को अब खोल दिया है। वे समझना चाहते थे कि जब सिलिकॉन परमाणुओं पर एक अल्ट्रा-शॉर्ट लेजर पल्स पड़ता है तो सिलिकॉन परमाणुओं के साथ वास्तव में क्या होता है और हवा से ऑक्सीजन कितनी तेजी से अंदर घुसकर उस सुरक्षात्मक त्वचा का निर्माण करती है। व्यक्तिगत परमाणुओं की गति को ट्रैक करने वाले एक परिष्कृत कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके, उन्होंने उन क्षणिक घटनाओं को फिर से बनाया जो एक लेजर द्वारा सिलिकॉन की सतह को गर्म करने पर घटित होती हैं। उन्होंने पाया कि सिलिकॉन का व्यवहार इस बात पर नाटकीय रूप से निर्भर करता है कि सतह ठोस रहती है या तरल में बदल जाती है। जब तापमान पिघलने के बिंदु से नीचे रहता है, तो ऑक्सीजन परमाणु एक भीड़ भरे कमरे में फंसे आगंतुकों की तरह होते हैं; वे ठोस सिलिकॉन की कठोर क्रिस्टल संरचना के माध्यम से आसानी से नहीं चल सकते, इसलिए लगभग कोई कोटिंग नहीं बनती है। लेजर सक्रिय रहने के अत्यंत छोटे समय अंतराल में यह प्रक्रिया बहुत धीमी है।
कहानी पूरी तरह से बदल जाती है जैसे ही सिलिकॉन पिघलता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि जैसे ही सतह तरल में बदलती है, ऑक्सीजन परमाणुओं को अचानक एक राजमार्ग मिल जाता है। तरल अवस्था में, सिलिकॉन परमाणु अब अपनी जगह पर लॉक नहीं होते, जिससे ऑक्सीजन अविश्वसनीय गति से सामग्री में गहराई तक उतर पाती है। सिमुलेशन ने दिखाया कि नई ऑक्साइड परत की मोटाई इस बात से सीधे जुड़ी हुई है कि तरल सिलिकॉन कितनी गहराई तक जाता है। यदि लेजर तरल सिलिकॉन का एक गहरा पूल बनाता है, तो ऑक्सीजन और आगे तक जाती है, और परिणामी कोटिंग मोटी होती है। यह इतना तेज़ होता है कि लगभग दो और आधा नैनोमीटर मोटी परत केवल कुछ सौ पिकोसेकंड में बन सकती है, एक ऐसा समय अंतराल जो ट्रिलियनवें सेकंड में मापा जाता है। टीम ने यह भी नोट किया कि यदि पर्याप्त ऑक्सीजन उपलब्ध नहीं है, तो विकास आपूर्ति द्वारा सीमित होता है, लेकिन एक बार पर्याप्त मात्रा होने पर, गति केवल इस बात से सीमित होती है कि ऑक्सीजन ठंडा होकर सख्त होने से पहले तरल सिलिकॉन के माध्यम से कितनी तेज़ी से तैर सकती है।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके कंप्यूटर मॉडल वास्तविकता से मेल खाते हैं, शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन वेफर्स को उपचारित करने के लिए डीप-अल्ट्रावॉयलेट लेजर का उपयोग करके वास्तविक दुनिया के प्रयोग किए। इसके बाद उन्होंने इन नमूनों को अविश्वसनीय रूप से पतली चादरों में काटा और एक उच्च-शक्ति वाले इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप से उनकी जांच की, जो एक उपकरण है जो व्यक्तिगत परमाणुओं को देख सकता है। छवियों ने उनके अनुमानों की पूरी तरह से पुष्टि की। उन्होंने पाया कि एक निरंतर सिलिकॉन डाइऑक्साइड की परत अमोर्फस (अनाकार) सिलिकॉन के ऊपर स्थित है, जो कि ऐसा सिलिकॉन है जिसने अपनी व्यवस्थित क्रिस्टल संरचना खो दी है और कांच की तरह अव्यवस्थित हो गया है। यह अमोर्फस परत मूल वेफर के ठोस, क्रिस्टलीय सिलिकॉन के ठीक ऊपर स्थित थी। मापों ने दिखाया कि लगभग 2.3 नैनोमीटर मोटी एक सुरक्षात्मक ऑक्साइड परत मौजूद है, जो एक संख्या है जो उनके सिमुलेशन द्वारा पूर्वानुमानित आंकड़ों के काफी करीब है।
इस कार्य का सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष यह है कि इस ऑक्साइड परत का तीव्र निर्माण लेजर की किसी रहस्यमय, गैर-तापीय (non-thermal) चाल के कारण नहीं है। इसके बजाय, यह गर्मी द्वारा संचालित एक सीधा भौतिक प्रक्रिया है। लेजर तरल सिलिकॉन का एक संक्षिप्त, क्षणिक पूल बनाता है, और यह तरल के माध्यम से ऑक्सीजन की बढ़ी हुई गतिशीलता है जो कोटिंग को इतनी तेज़ी से बढ़ने देती है। शोधकर्ताओं ने इस विचार को खारिज कर दिया कि लेजर को प्रतिक्रिया को मजबूर करने के लिए कुछ असाधारण या गैर-तापीय करने की आवश्यकता है। इसके बजाय, उन्होंने प्रदर्शित किया कि सिलिकॉन का सरल पिघलना, भले ही वह क्षण भर के लिए हो, तीव्र ऑक्सीकरण को समझाने के लिए पर्याप्त है। इस समझ ने एक स्पष्ट भौतिक स्पष्टीकरण प्रदान किया है कि क्यों ये अत्यंत पतली परतें इतनी तेज़ी से बनती हैं और यह पुष्टि की है कि पिघले हुए क्षेत्र की गहराई ही सुरक्षात्मक कोटिंग कितनी मोटी होगी, इसे नियंत्रित करने वाला प्राथमिक कारक है।
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