stringtranslate.com

Кремниевая нанопроволока

Схема кремниевой нанопроволоки

Кремниевые нанопровода , также называемые SiNW , представляют собой тип полупроводниковых нанопроводов, которые чаще всего формируются из кремниевого предшественника путем травления твердого тела или путем катализированного роста из паровой или жидкой фазы. Такие нанопровода имеют многообещающие применения в литий-ионных аккумуляторах, 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 необычной квазиодномерной электронной структуры и являются предметом исследований в многочисленных дисциплинах и приложениях. Причина, по которой SiNW считаются одними из самых важных одномерных материалов, заключается в том, что они могут выполнять функцию строительных блоков для наноэлектроники, собираемой без необходимости в сложных и дорогостоящих производственных мощностях. [2] SiNW часто изучаются с точки зрения приложений, включая фотоэлектричество , нанопроволочные батареи , термоэлектричество и энергонезависимую память. [3]

Приложения

Благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам кремниевые нанопровода являются перспективным кандидатом для широкого спектра применений, которые используют их уникальные физико-химические характеристики, отличающиеся от характеристик объемного кремниевого материала. [1]

SiNW демонстрируют способность захватывать заряд, что делает такие системы ценными в приложениях, требующих разделения электронов и дырок, таких как фотоэлектрические устройства и фотокатализаторы. [4] Недавние эксперименты с солнечными элементами на основе нанопроволок привели к значительному улучшению эффективности преобразования энергии солнечных элементов SiNW с <1% до >17% за последние несколько лет. [5]

Способность ионов лития интеркалировать в кремниевые структуры делает различные наноструктуры Si интересными для применения в качестве анодов в литий-ионных аккумуляторах (LiBs) . SiNW представляют особую ценность в качестве таких анодов, поскольку они демонстрируют способность подвергаться значительному литированию, сохраняя при этом структурную целостность и электрическую связность. [6]

Кремниевые нанопровода являются эффективными термоэлектрическими генераторами, поскольку они сочетают в себе высокую электропроводность, обусловленную объемными свойствами легированного кремния, с низкой теплопроводностью из-за малого поперечного сечения. [7]

Полевой транзистор на основе кремниевой нанопроволоки (SiNWFET)

Поведение захвата заряда и регулируемые поверхностно-управляемые транспортные свойства SiNW делают эту категорию наноструктур интересной для использования в качестве металлических изоляторов, полупроводников и полевых транзисторов , [8] где кремниевая нанопроволока является основным каналом полевого транзистора , который соединяет исток со стоком, облегчая перенос электронов между двумя выводами с дальнейшим применением в качестве наноэлектронных устройств хранения данных, [9] во флэш-памяти , логических устройствах , а также в химических, газовых и биологических датчиках. [3] [10] [11]

С тех пор как SiNWFET был впервые представлен в 2001 году [12], он вызвал широкую озабоченность в области датчиков из-за его превосходных физических свойств, таких как высокая подвижность носителей, [13] высокий коэффициент переключения тока и близкий к идеальному подпороговый наклон. Кроме того, он экономически эффективен и может производиться в больших масштабах, поскольку сочетается с технологией изготовления КМОП. В частности, в биоисследованиях SiNWFET обладает высокой чувствительностью и специфичностью к биологическим целям и может обеспечивать обнаружение без метки после модификации небольшими биологическими молекулами для соответствия целевому объекту. Более того, SiNWFET может быть изготовлен в массивах и избирательно функционализирован, что позволяет одновременно обнаруживать и анализировать несколько целей. [14] Мультиплексное обнаружение может значительно повысить пропускную способность и эффективность биообнаружения.

Синтез

Известно несколько методов синтеза SiNW, и их можно в целом 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 прекурсор для создания нанопроволок в процессе, который обычно считается синтезом снизу вверх. [3]

Методы синтеза сверху вниз

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

Методы синтеза снизу вверх

Термическое окисление

После физической или химической обработки, сверху вниз или снизу вверх, для получения исходных кремниевых наноструктур часто применяются этапы термического окисления для получения материалов с желаемым размером и соотношением сторон . Кремниевые нанопровода демонстрируют отчетливое и полезное самоограничивающееся окислительное поведение, при котором окисление эффективно прекращается из-за диффузионных ограничений, которые можно моделировать. [1] Это явление позволяет точно контролировать размеры и соотношения сторон в SiNW и использовалось для получения SiNW с высоким соотношением сторон и диаметром менее 5 нм. [19] Самоограничивающееся окисление SiNW имеет ценность для материалов литий-ионных аккумуляторов.

Перспективы

Существует значительный интерес к SiNW из-за их уникальных свойств и способности контролировать размер и соотношение сторон с большой точностью. Пока что ограничения в крупномасштабном производстве препятствуют внедрению этого материала во всем диапазоне исследуемых приложений. Совместные исследования методов синтеза, кинетики окисления и свойств систем SiNW направлены на преодоление существующих ограничений и содействие внедрению систем SiNW, например, высококачественные выращенные в паровой фазе-жидкости-твердом теле SiNW с гладкими поверхностями могут быть обратимо растянуты с 10% или более упругой деформацией, приближаясь к теоретическому пределу упругости кремния, что может открыть двери для появляющейся «упругой деформационной инженерии» и гибкой био-/наноэлектроники. [20]

Ссылки

  1. ^ abc Liu, M.; Peng, J.; et al. (2016). «Двумерное моделирование самоограничивающегося окисления в кремниевых и вольфрамовых нанопроводах». Theoretical and Applied Mechanics Letters . 6 (5): 195–199. arXiv : 1911.08908 . Bibcode :2016TAML....6..195L. doi : 10.1016/j.taml.2016.08.002 .
  2. ^ Yi, Cui; Charles M., Lieber (2001). «Функциональные электронные устройства наномасштаба, собранные с использованием строительных блоков из кремниевой нанопроволоки». Science . 291 (5505): 851–853. Bibcode :2001Sci...291..851C. doi :10.1126/science.291.5505.851. PMID  11157160.
  3. ^ abcde Миколаджик, Томас; Хайнциг, Андре; Троммер, Йенс; и др. (2013). «Кремниевые нанопровода — универсальная технологическая платформа». Physica Status Solidi RRL . 7 (10): 793–799. Bibcode : 2013PSSRR...7..793M. doi : 10.1002/pssr.201307247. S2CID  93989192.
  4. ^ Tsakalakos, L.; Balch, J.; Fronheiser, J.; Korevaar, B. (2007). «Кремниевые нанопроволочные солнечные элементы». Applied Physics Letters . 91 (23): 233117. Bibcode : 2007ApPhL..91w3117T. doi : 10.1063/1.2821113.
  5. ^ Юй, Пэн; У, Цзян; Лю, Шентинг; Сюн, Цзе; Джагадиш, Ченнупати; Ван, Чжимин М. (2016-12-01). «Проектирование и изготовление кремниевых нанопроводов для эффективных солнечных элементов» (PDF) . Nano Today . 11 (6): 704–737. doi :10.1016/j.nantod.2016.10.001.
  6. ^ Чан, К.; Пэн, Х.; и др. (2008). «Высокопроизводительные аноды литиевых батарей с использованием кремниевых нанопроводов». Nature Nanotechnology . 3 (1): 31–35. Bibcode : 2008NatNa...3...31C. doi : 10.1038/nnano.2007.411. PMID  18654447.
  7. ^ 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 . PMID  29868148. 
  8. ^ Cui, Yi; Zhong, Zhaohui; Wang, Deli; Wang, Wayne U.; Lieber, Charles M. (2003). «Высокопроизводительные кремниевые нанопроволочные полевые транзисторы». Nano Letters . 3 (2): 149–152. Bibcode :2003NanoL...3..149C. CiteSeerX 10.1.1.468.3218 . doi :10.1021/nl025875l. 
  9. ^ Tian, ​​Bozhi; Xiaolin, Zheng; et al. (2007). «Коаксиальные кремниевые нанопровода как солнечные элементы и наноэлектронные источники питания». Nature . 449 (7164): 885–889. Bibcode :2007Natur.449..885T. doi :10.1038/nature06181. PMID  17943126. S2CID  2688078.
  10. ^ Дэниел, Шир и др. (2006). «Окисление кремниевых нанопроводов». Журнал вакуумной науки и технологий . 24 (3): 1333–1336. Bibcode : 2006JVSTB..24.1333S. doi : 10.1116/1.2198847.
  11. ^ Ху, Цитао; Соломон, Пол; Остерлунд, Ларс; Чжан, Чжэнь (19.06.2024). «Газовое зондирование на основе нанотранзисторов с рекордно высокой чувствительностью, обеспечиваемой эффектом захвата электронов в наночастицах». Nature Communications . 15 (1): 5259. Bibcode :2024NatCo..15.5259H. doi :10.1038/s41467-024-49658-3. ISSN  2041-1723. PMC 11187184 . PMID  38898091. 
  12. ^ Y, Cui (2001). "Нанопроволочные наносенсоры для высокочувствительного и селективного обнаружения биологических и химических видов". Science . 293 (5533): 1289-1292. Bibcode :2001Sci...293.1289C. doi :10.1126/science.1062711. PMID  11509722.
  13. ^ Song, Y (2022). «Высокоэластичные высокопроизводительные кремниевые нанопроволочные полевые транзисторы, интегрированные на эластомерных подложках». Advanced Science . 9 (9): e2105623. doi :10.1002/advs.202105623. PMC 8948590 . PMID  35092351. 
  14. ^ Гао, А. (2017). «Мультиплексное обнаружение биомаркеров рака легких в сыворотке пациентов с помощью CMOS-совместимых массивов кремниевых нанопроволок». Biosens. Bioelectron . 91 (15): 482-488. doi :10.1016/j.bios.2016.12.07 (неактивен 2024-11-05).{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )
  15. ^ Хуан, З.; Фанг, Х.; Чжу, Дж. (2007). «Изготовление массивов кремниевых нанопроволок с контролируемым диаметром, длиной и плотностью». Advanced Materials . 19 (5): 744–748. Bibcode : 2007AdM....19..744H. doi : 10.1002/adma.200600892. S2CID  136639488.
  16. ^ abc Шао, М.; Дуо Дуо Ма, Д.; Ли, СТ (2010). «Кремниевые нанопровода–синтез, свойства и применение». Европейский журнал неорганической химии . 2010 (27): 4264–4278. doi :10.1002/ejic.201000634.
  17. ^ Хуан, Чжипэн; Гейер, Надин; Вернер, Питер; Бур, Йоханнес де; Гёзеле, Ульрих (2011). «Химическое травление кремния с помощью металла: обзор». Advanced Materials . 23 (2): 285–308. Bibcode :2011AdM....23..285H. doi :10.1002/adma.201001784. ISSN  1521-4095. PMID  20859941. S2CID  205237664.
  18. ^ Холмс, Дж.; Кит, П.; Джонстон, Р.; Доти, К. (2000). «Контроль толщины и ориентации выращенных в растворе кремниевых нанопроводов». Science . 287 (5457): 1471–1473. Bibcode :2000Sci...287.1471H. doi :10.1126/science.287.5457.1471. PMID  10688792.
  19. ^ Лю, HI; Бигельсен, DK; Понсе, FA; Джонсон, NM; Пиз, RFW (1994). «Самоограничивающее окисление для изготовления кремниевых нанопроводов размером менее 5 нм». Applied Physics Letters . 64 (11): 1383. Bibcode : 1994ApPhL..64.1383L. doi : 10.1063/1.111914.
  20. ^ Чжан, Х.; Терсофф, Дж.; Сюй, С.; и др. (2016). «Приближение к идеальному пределу упругой деформации в кремниевых нанопроводах». Science Advances . 2 (8): e1501382. Bibcode : 2016SciA....2E1382Z. doi : 10.1126/sciadv.1501382. PMC 4988777. PMID  27540586.