Учеными из Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники обнаружен эффект горения и взрыва в слоях наноструктурированного пористого кремния.

Наноструктурированный пористый кремний, полученный методами электрохимического анодирования, при определенных условиях способен гореть и взрываться, при этом энергетический эффект этих процессов выше, чем у углеводородных материалов. Обнаруженный эффект открывает возможность обеспечения энергией MEMS или NEMS на микроуровне непосредственно внутри полупроводниковой схемы.

Активизация микроисточника энергии может осуществляться электрическим, термическим или механическим сигналом. Интересно, что при толщине слоя пористого кремния меньше 60 мкм наблюдается процесс горения. А при толщине больше 60 мкм происходит взрыв. Размер световой вспышки, наблюдаемый при горении и взрыве пористого кремния, максимален для свежеприготовленных образцов (рис. 1)

Рис. 1. Зависимость размера вспышки при горении и взрыве пористого кремния, пропитанного KNO3, от его толщины: 1 – свежеприготовленные образцы, 2 – после суток хранения, 3 – после 2 суток хранения.

Изготовление наноструктурированных кремниевых пленок может быть осуществлено на основе кремниевой технологии, используемой при изготовлении интегральных микросхем, что особенно важно для миниатюрных изделий.

Были изготовлены кремниевые микроактюаторы, способные преодолевать расстояния в несколько метров! На Рис. 2. изображен кремниевый микроактюатор, использующий энергию горения пористого кремния для перемещения в пространстве. Оценочные расчеты показывают, что эффективность преобразования энергии горения в кинетическую энергию достигает 50%. То есть, даже предварительные результаты позволяют говорить о возможности использования процессов горения пористого кремния в микромашинах, изготавливаемых на основе кремниевой технологии.

Рис. 2. Кремниевый микроактюатор, использующий энергию горения пористого кремния для перемещения в пространстве: а – схематическое изображение микроактюатора, b, c – его фотографии в момент инициирования и в движении соответственно.

Более высокая удельная энергия при взрыве открывает принципиально новые возможности для использования пористого кремния. На рис. 3 показаны этапы процесса разделения кремниевой пластины на отдельные чипы при помощи взрыва слоя пористого кремния. По сравнению с традиционными методами лазерного и алмазного разделения кремниевых пластин данный метод имеет ряд преимуществ:

* ширина разделительной дорожки может быть уменьшена до 40 мкм;
* при помощи этого метода можно вырезать кремниевые кристаллы любой формы, в том числе и круглые (рис. 3, d) и овальные, так как линия разреза формируется при помощи операций фотолитографии.

Рис. 3. По сравнению с традиционными методами лазерного и алмазного разделения кремниевых пластин данный метод имеет ряд преимуществ: -ширина разделительной дорожки может быть уменьшена до 40 мкм; -при помощи этого метода можно вырезать кремниевые кристаллы любой формы, в том числе и круглые (рис. 3, d) и овальные, так как линия разреза формируется при помощи операций фотолитографии.

К другим возможным практическим применениям процесса взрыва пористого кремния следует отнести изготовление самоуничтожающихся кремниевых чипов (рис. 4), а также экологически безопасных пиротехнических схем.

Следует отметить, что наноструктурированный кремний является энергоносителем, альтернативным углеводородным видам топлива. В частности, кремень, использовавшийся в древности как источник огня, есть не что иное, как наноструктурированное минеральное образование из кварца и халцедона. Минерал халцедон отличается от кварца нестехиометричностью состава – повышенным массовым содержанием водорода, т.е. этот минерал является “недоокисленным” по сравнению с кварцем, что и объясняет его необычные свойства, позволяющие его микрочастицам воспламеняться после механического воздействия.

Рис. 4. Фрагменты поведения шарообразной вспышки при взрыве наноструктурированного гидрированного кремния, пропитанного KNO3. a – фрагмент взрыва в слое наноструктурированного гидрированного кремния; b – отделение вспышки от исследуемого образца; c – разделение вспышки на несколько светящихся объектов; d – движение светящихся образований с последующим затуханием.