Кремниевая нанопроволока

Схема кремниевой нанопроволоки

Кремниевые нанопроволоки , также называемые SiNW , представляют собой тип полупроводниковых нанопроволок , которые чаще всего формируются из предшественника кремния путем травления твердого тела или каталитического роста из паровой или жидкой фазы. Такие нанопроволоки имеют многообещающее применение в литий-ионных батареях, термоэлектриках и датчиках . Первоначальный синтез SiNW часто сопровождается этапами термического окисления для получения структур точно подобранного размера и морфологии. ^[1]

SiNW обладают уникальными свойствами, которые не наблюдаются в объемных (трехмерных) кремниевых материалах. Эти свойства возникают из-за необычной квазиодномерной электронной структуры и являются предметом исследований во многих дисциплинах и приложениях. Причина, по которой SiNW считаются одним из наиболее важных одномерных материалов, заключается в том, что они могут служить строительными блоками для наноразмерной электроники, собираемой без необходимости использования сложных и дорогостоящих производственных мощностей. ^[2] SiNW часто изучаются для применения в фотогальванике , батареях нанопроволоки , термоэлектрике и энергонезависимой памяти. ^[3]

Приложения

Благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам кремниевые нанопроволоки являются многообещающим кандидатом для широкого спектра применений, поскольку их уникальные физико-химические характеристики отличаются от характеристик объемного кремниевого материала. ^[1]

SiNW демонстрируют поведение захвата заряда, что делает такие системы ценными в приложениях, требующих разделения электронов и дырок, таких как фотогальваника и фотокатализаторы. ^[4] Недавний эксперимент с солнечными элементами на основе нанопроволоки привел к значительному повышению эффективности преобразования энергии солнечных элементов SiNW с <1% до>17% за последние несколько лет. ^[5]

Поведение захвата заряда и настраиваемые поверхностно-управляемые транспортные свойства SiNW делают эту категорию наноструктур интересной для использования в качестве металлических изоляторов, полупроводников и полевых транзисторов , ^[6] с дальнейшим применением в качестве наноэлектронных запоминающих устройств, ^[7] во флэш-памяти , логических устройствах и т. д. а также химические и биологические сенсоры. ^{[3] [8]}

Способность ионов лития интеркалировать в кремниевые структуры делает различные кремниевые наноструктуры интересными для применения в качестве анодов в литий-ионных батареях (LiB) . SiNW имеют особое преимущество в качестве таких анодов, поскольку они демонстрируют способность подвергаться значительному литиированию, сохраняя при этом структурную целостность и электрическую связь. ^[9]

Кремниевые нанопроволоки являются эффективными термоэлектрическими генераторами , поскольку они сочетают в себе высокую электропроводность благодаря объемным свойствам легированного кремния с низкой теплопроводностью из-за малого поперечного сечения. ^[10]

Синтез

Известно несколько методов синтеза SiNW, и их можно в общих чертах разделить на методы, которые начинаются с объемного кремния и удаляют материал для получения нанопроволок, также известные как синтез сверху вниз, и методы, которые используют химический или паровой предшественник для создания нанопроволок в процессе. обычно считается синтезом снизу вверх. ^[3]

Методы синтеза сверху вниз

Эти методы используют методы удаления материала для создания наноструктур из объемного предшественника.

• Лазерная абляция ^[3]
• Ионно-лучевое травление ^[11]
• Рост с использованием оксидов термического испарения (OAG) ^[12]
• Химическое травление металлов (MaCE) ^[13]

Методы синтеза снизу вверх

• Рост пар-жидкость-твердое тело (VLS) - тип катализируемого CVD, часто с использованием силана в качестве предшественника кремния и наночастиц золота в качестве катализатора (или «затравки»). ^[3]
• Молекулярно-лучевая эпитаксия - форма PVD , применяемая в плазменной среде ^[12]
• Осаждение из раствора – вариант метода VLS, метко названный сверхкритической жидкой жидкостью и твердым телом (SFLS), в котором в качестве предшественника кремния вместо пара используется сверхкритическая жидкость (например, органосилан при высокой температуре и давлении). Катализатором может быть коллоид в растворе, такой как наночастицы коллоидного золота , и SiNW выращиваются в этом растворе ^{[12] [14]}

Термическое окисление

После физической или химической обработки, как сверху вниз, так и снизу вверх, для получения исходных кремниевых наноструктур часто применяются этапы термического окисления, чтобы получить материалы с желаемым размером и соотношением сторон . Кремниевые нанопроволоки демонстрируют отчетливое и полезное поведение самоограничивающегося окисления , при котором окисление эффективно прекращается из-за диффузионных ограничений, которые можно смоделировать. ^[1] Это явление позволяет точно контролировать размеры и соотношения сторон SiNW и используется для получения SiNW с высоким соотношением сторон и диаметром менее 5 нм. ^[15] Самоограничивающееся окисление SiNW имеет важное значение для материалов литий-ионных аккумуляторов.

Перспективы

Существует значительный интерес к SiNW из-за их уникальных свойств и способности с большой точностью контролировать размер и соотношение сторон. Пока что ограничения в крупномасштабном производстве препятствуют использованию этого материала во всем спектре исследуемых применений. Комбинированные исследования методов синтеза, кинетики окисления и свойств систем SiNW направлены на преодоление существующих ограничений и облегчение внедрения систем SiNW, например, высококачественные SiNW, выращенные из пар-жидкость-твердое тело, с гладкими поверхностями можно обратимо растянуть на 10%. или более упругая деформация, приближающаяся к теоретическому пределу упругости кремния, что может открыть двери для появляющейся «инженерии упругих деформаций» и гибкой био-/наноэлектроники. ^[16]

Рекомендации

1. Лю, М.; Пэн, Дж.; и другие. (2016). «Двумерное моделирование самоограничивающегося окисления в кремниевых и вольфрамовых нанопроволоках». Письма по теоретической и прикладной механике . 6 (5): 195–199. arXiv : 1911.08908 . дои : 10.1016/j.taml.2016.08.002 .
2. Йи, Цуй; Чарльз М., Либер (2001). «Функциональные наноразмерные электронные устройства, собранные с использованием строительных блоков из кремниевых нанопроволок». Наука . 291 (5505): 851–853. Бибкод : 2001Sci...291..851C. дои : 10.1126/science.291.5505.851. ПМИД  11157160.
3. Миколайик, Томас; Хайнциг, Андре; Троммер, Йенс; и другие. (2013). «Кремниевые нанопровода – универсальная технологическая платформа». Физический статус Solidi RRL . 7 (10): 793–799. Бибкод : 2013PSSRR...7..793M. дои : 10.1002/pssr.201307247. S2CID  93989192.
4. Цакалакос, Л.; Балч, Дж.; Фронхайзер, Дж.; Кореваар, Б. (2007). «Солнечные элементы из кремниевых нанопроволок». Письма по прикладной физике . 91 (23): 233117. Бибкод : 2007ApPhL..91w3117T. дои : 10.1063/1.2821113.
5. Ю, Пэн; Ву, Цзян; Лю, Шэнтинг; Сюн, Цзе; Джагадиш, Ченнупати; Ван, Чжимин М. (01 декабря 2016 г.). «Разработка и изготовление кремниевых нанопроводов для создания эффективных солнечных элементов» (PDF) . Нано сегодня . 11 (6): 704–737. doi :10.1016/j.nantod.2016.10.001.
6. Цуй, Йи; Чжун, Чжаохуэй; Ван, Дели; Ван, Уэйн У.; Либер, Чарльз М. (2003). «Высокоэффективные кремниевые нанопроволочные полевые транзисторы». Нано-буквы . 3 (2): 149–152. Бибкод : 2003NanoL...3..149C. CiteSeerX 10.1.1.468.3218 . дои : 10.1021/nl025875l. 
7. Тиан, Божи; Сяолинь, Чжэн; и другие. (2007). «Коаксиальные кремниевые нанопровода как солнечные элементы и наноэлектронные источники энергии». Природа . 449 (7164): 885–889. Бибкод : 2007Natur.449..885T. дои : 10.1038/nature06181. PMID  17943126. S2CID  2688078.
8. Дэниел, Шир; и другие. (2006). «Окисление кремниевых нанопроволок». Журнал вакуумной науки и технологий . 24 (3): 1333–1336. Бибкод : 2006JVSTB..24.1333S. дои : 10.1116/1.2198847.
9. Чан, К.; Пэн, Х.; и другие. (2008). «Высокопроизводительные аноды литиевых батарей с использованием кремниевых нанопроволок». Природные нанотехнологии . 3 (1): 31–35. Бибкод : 2008NatNa...3...31C. дои : 10.1038/nnano.2007.411. ПМИД  18654447.
10. Чжан, Тяньчжо; Ямато, Ре; Хашимото, Шуитиро; Томита, Мотохиро; Оба, Сюнсукэ; Химеда, Юя; Месаки, Кохей; Такезава, Хироки; Йокогава, Ре; Сюй, Ибинь; Мацукава, Такаши; Огура, Ацуши; Камакура, Ёсинари; Ватанабэ, Таканобу (2018). «Миниатюрный планарный микротермоэлектрический генератор на основе Si-нанопровода, использующий излучаемое тепловое поле для выработки электроэнергии». Наука и технология перспективных материалов . 19 (1): 443–453. Бибкод : 2018STAdM..19..443Z. дои : 10.1080/14686996.2018.1460177. ПМЦ 5974757 . ПМИД  29868148. 
11. Хуан, З.; Фанг, Х.; Чжу, Дж. (2007). «Изготовление массивов кремниевых нанопроволок контролируемого диаметра, длины и плотности». Передовые материалы . 19 (5): 744–748. дои : 10.1002/adma.200600892. S2CID  136639488.
12. Шао, М.; Дуо Дуо Ма, Д.; Ли, ST (2010). «Кремниевые нанопроволоки – синтез, свойства и применение». Европейский журнал неорганической химии . 2010 (27): 4264–4278. дои : 10.1002/ejic.201000634.
13. Хуан, Чжипен; Гейер, Надин; Вернер, Питер; Бур, Йоханнес де; Гёзеле, Ульрих (2011). «Химическое травление кремния с помощью металлов: обзор». Передовые материалы . 23 (2): 285–308. дои : 10.1002/adma.201001784. ISSN  1521-4095. PMID  20859941. S2CID  205237664.
14. Холмс, Дж.; Кейт, П.; Джонстон, Р.; Доти, К. (2000). «Контроль толщины и ориентации кремниевых нанопроволок, выращенных из раствора». Наука . 287 (5457): 1471–1473. Бибкод : 2000Sci...287.1471H. дои : 10.1126/science.287.5457.1471. ПМИД  10688792.
15. Лю, Привет; Бигельсен, ДК; Понсе, ФА; Джонсон, Нью-Мексико; Пиз, RFW (1994). «Самоограничивающееся окисление для изготовления кремниевых нанопроволок размером менее 5 нм». Письма по прикладной физике . 64 (11): 1383. Бибкод : 1994ApPhL..64.1383L. дои : 10.1063/1.111914.
16. Чжан, Х.; Терсофф, Дж.; Сюй, С.; и другие. (2016). «Приближение к идеальному пределу упругой деформации в кремниевых нанопроволоках». Достижения науки . 2 (8): e1501382. Бибкод : 2016SciA....2E1382Z. doi : 10.1126/sciadv.1501382. ПМЦ 4988777 . ПМИД  27540586.