Strong Explosive Interaction of Hydrogenated Porous Silicon with Oxygen at Cryogenic Temperatures

Abstract

We report new types of heterogeneous hydrogen-oxygen and silicon-oxygen branched chain reactions which have been found to proceed explosively after the filling of pores of hydrogen-terminated porous silicon (Si) by condensed or liquid oxygen in the temperature range of 4.2-90 K. Infrared vibrational absorption spectroscopy shows that, while initially Si nanocrystals assembling the layers have hydrogen-terminated surfaces, the final products of the reaction are SiO2 and H2O. Time-resolved optical experiments show that the explosive reaction develops in a time scale of 10(-6) s. We emphasize the remarkable structural properties of porous Si layers which are crucial for the strong explosive interaction.

Optical Properties of Nanostructured Silicon

“…1, 543-570 light with an audible pop'. In 2001, Kovalev et al [114] discovered that hydrogenated porous silicon reacts explosively with condensed or liquid oxygen in the temperature range 4.2-90 K, releasing several times as much energy as an equivalent amount of trinitrotoluene (TNT), at a much greater speed in a timescale of 10 À6 s. Explosion occurs because the oxygen, which is in a liquid state at the necessary temperatures, is able to oxidize through the porous molecular structure of the silicon extremely rapidly, causing a very quick and efficient detonation. The final products of the reaction are SiO 2 and H 2 O, both are nontoxic products.…”

“…Kovalev et al [114] proposed the three-step mechanism sketched in Figure 20. The match for the explosion is the energy released under the interaction of oxygen molecules with unsaturated (dangling) Si bonds acting as free radicals.…”

Чувствительность К Импульсным Электрофизическим Воздействиям Энергонасыщенных Соединений На Основе Высокодисперсного Кремния И Нанопористого Кремния

“…Такая структура приводит к необычным и уникальным свойствам por-Si, например, он может гореть в чистом виде, а в сочетании с опреде-ленными окислителями у него появляется способность к взрыву (детонации) [9][10][11][12][13]. Инициирование процессов горения и взрыва в чи-стом нанопористом кремнии или в энергонасыщенном соединении на его основе осуществляют термически (соприкосновение с нагретым до высокой температуры предметом, с помощью стандартного мостика накалива-ния и др.…”

Влияние типа и степени легирования на морфологию por-Si, полученного гальваническим травлением

“…прошлого века благодаря широкому спектру применений, в том числе в качестве материала, быстрое окисление кото-рого сопровождается горением или взрывом [2][3][4]. Как было показано в работах [4,5], кинетика горения во многом определяется толщиной стенок пор, пористо-стью и удельной площадью поверхности por-Si.…”