Нанопроволока - Nanowire

Часть серии статей о
Наноэлектроника
Одномолекулярная электроника
Твердотельная наноэлектроника
Связанные подходы
  • Приложения Nuvola kalzium.svg Научный портал
  • Nuvola apps ksim.png Электронный портал
  • Telecom-icon.svg Технологический портал

А нанопроволока это наноструктура, диаметром порядка нанометра (10−9 метров). Его также можно определить как отношение длины к ширине, превышающее 1000. В качестве альтернативы, нанопроволоки можно определить как структуры, толщина или диаметр которых ограничен десятками нанометры или меньше и неограниченной длины. В этих масштабах важны квантово-механические эффекты - отсюда и появился термин «квантовые провода ". Существует много различных типов нанопроволок, включая сверхпроводящие (например, YBCO[1]), металлический (например, Ni, Pt, Au, Ag), полупроводниковые (например, кремниевые нанопроволоки (КНН), InP, GaN ) и изоляционные (например, SiO2, TiO2 ). Молекулярные нанопроволоки состоят из повторяющихся молекулярных единиц либо органических (например, ДНК ) или неорганические (например, Mo6S9-хяИкс).

Обзор

Кристаллический 2 × 2-атом селенид олова нанопроволока, выращенная внутри одностенной углеродная нанотрубка (диаметр трубки ~ 1 нм).[2]
Изображение HRTEM с фильтром шумов HgTe крайняя нанопроволока, встроенная в центральную пору ОСУНТ. Изображение также сопровождается моделированием кристаллической структуры.[3]

Типичные нанопроволоки имеют соотношение сторон (отношение длины к ширине) 1000 или более. Поэтому их часто называют одномерными (1-D) материалами. Нанопроволоки обладают множеством интересных свойств, которые нельзя увидеть в объемных или трехмерных материалах. Это потому что электроны в нанопроводах квант ограничены латерально и, таким образом, занимают уровни энергии, которые отличаются от традиционного континуума энергетических уровней или полос, обнаруживаемых в объемных материалах.

Особенности этого квантовое ограничение проявляются в отдельных нанопроводах, проявляются в дискретных значениях электрическая проводимость. Такие дискретные значения возникают из-за квантово-механического ограничения количества электронов, которые могут проходить через провод в нанометровом масштабе. Эти дискретные значения часто называют квантами проводимости. целое число кратные

Они противоположны хорошо известной единице сопротивления. он2, что примерно равно 25812,8 Ом, и называемая постоянной фон Клитцинга рK (после Клаус фон Клитцинг, первооткрыватель точное квантование ). С 1990 г. фиксированное условное значение рК-90 принято.[4]

Примеры нанопроволок включают неорганические молекулярные нанопроволоки (Mo6S9-хяИкс, Ли2Пн6Se6), который может иметь диаметр 0,9 нм и длину в сотни микрометров. Другие важные примеры основаны на полупроводниках, таких как InP, Si, GaN и т. Д., Диэлектриках (например, SiO2, TiO2) или металлы (например, Ni, Pt).

Существует множество приложений, в которых нанопровода могут стать важными в электронных, оптоэлектронных и наноэлектромеханических устройствах, в качестве добавок в передовые композиты, для металлических межсоединений в наноразмерных квантовых устройствах, в качестве полевых эмиттеров и в качестве выводов для биомолекулярных наносенсоров.

Синтез

An SEM изображение эпитаксиальных нанопроволочных гетероструктур, выращенных из каталитических наночастиц золота.

Существует два основных подхода к синтезу нанопроволок: сверху вниз и вверх дном. При нисходящем подходе большой кусок материала превращается в мелкие с помощью различных средств, таких как литография,[5][6] фрезерование или же термическое окисление. При восходящем подходе нанопроволока синтезируется путем объединения составляющих адатомы. Большинство методов синтеза используют восходящий подход. За начальным синтезом любым методом часто может следовать стадия термообработки нанопроволоки, часто включающие форму самоограничивающегося окисления, для точной настройки размера и соотношения сторон структур.[7]

При производстве нанопроволоки используются несколько общих лабораторных методов, включая суспензию, электрохимическое осаждение, осаждение из паровой фазы и VLS рост. Ионно-трековая технология позволяет выращивать гомогенные и сегментированные нанопроволоки диаметром до 8 нм. Поскольку скорость окисления нанопроволоки зависит от диаметра, термическое окисление шаги часто применяются для настройки их морфологии.

Приостановка

Подвешенная нанопроволока - это проволока, созданная в камере с высоким вакуумом, удерживаемая за продольные края. Подвесные нанопроволоки могут быть произведены:

  • Химическое травление большой проволоки
  • Бомбардировка провода большего размера, как правило, ионами высокой энергии
  • Отступ кончика СТМ на поверхности металла около точки его плавления, а затем втягивая его

Рост VLS

Распространенный метод создания нанопроволоки: пар-жидкость-твердый метод (VLS), о котором впервые сообщили Вагнер и Эллис в 1964 году для кремниевых усов с диаметром от сотен нм до сотен мкм.[8] Этот процесс может производить высококачественные кристаллические нанопроволоки из многих полупроводниковых материалов, например, монокристаллических кристаллов, выращенных методом VLS. кремниевые нанопроволоки (КНН) с гладкими поверхностями может иметь отличные свойства, например сверхбольшую эластичность.[9] В этом методе используется исходный материал от любого лазера удален частицы или исходный газ, такой как силан.

Для синтеза VLS требуется катализатор. Для нанопроводов лучшими катализаторами являются жидкие металлы (например, золото ) нанокластеры, которые можно собрать самостоятельно из тонкой пленки с помощью обезвоживание, или приобретены в коллоидной форме и нанесены на подложку.

Источник входит в эти нанокластеры и начинает их насыщать. По достижении пересыщения источник затвердевает и вырастает наружу из нанокластера. Простое выключение источника может изменить окончательную длину нанопроволоки. Переключение источников в фазе роста может создавать сложные нанопроволоки со сверхрешетками из чередующихся материалов.

Одностадийная парофазная реакция при повышенной температуре позволяет синтезировать неорганические нанопроволоки, такие как Mo6S9-хяИкс. С другой стороны, такие нанопроволоки являются кластерными. полимеры.

Рост VSS Подобно VLS-синтезу, VSS (пар-твердое тело-твердое тело) синтез нанопроволок (NW) происходит путем термолитического разложения прекурсора кремния (обычно фенилсилана). В отличие от VLS, каталитическая затравка остается в твердом состоянии после высокотемпературного отжига подложки. Этот такой тип синтеза широко используется для синтеза нанопроволок силицидов металлов / германидов посредством легирования VSS между медной подложкой и прекурсором кремний / германий.

Фазовый синтез раствора

Фазовый синтез в растворе относится к методам выращивания нанопроволок в растворе. Они могут производить нанопровода из многих типов материалов. Фазовый синтез в растворе имеет то преимущество, что он может производить очень большие количества по сравнению с другими методами. В одном методе полиол В процессе синтеза этиленгликоль одновременно является растворителем и восстановителем. Этот метод особенно универсален при производстве нанопроволок золота,[10] свинец, платина и серебро.

Метод сверхкритического роста жидкость-жидкость-твердое тело[11][12] могут быть использованы для синтеза полупроводниковых нанопроволок, например Si и Ge. Используя металлические нанокристаллы в качестве затравки,[13] Металлоорганические предшественники Si и Ge подают в реактор, заполненный сверхкритическим органическим растворителем, таким как толуол. Термолиз приводит к деградации предшественника, что позволяет высвобождать Si или Ge и растворяться в металлических нанокристаллах. По мере того как больше растворенного полупроводника добавляется из сверхкритической фазы (из-за градиента концентрации), твердый кристаллит выпадает в осадок, и нанопроволока растет одноосно из затравки нанокристалла.

Наблюдение на месте роста нанопроволок CuO

Некаталитический рост

Нанопроволоки также можно выращивать без помощи катализаторов, что дает преимущество чистых нанопроволок и сводит к минимуму количество технологических этапов. В простейших методах получения нанопроволок оксидов металлов используется обычный нагрев металлов, например металлический провод с подогревом от аккумулятора, Джоулевое нагревание в воздухе[14] можно легко сделать дома. Подавляющее большинство механизмов образования нанопроволок объясняется использованием каталитических наночастиц, которые стимулируют рост нанопроволоки и либо добавляются намеренно, либо образуются во время роста. Однако механизмы роста нанопроволок (или усов) без катализатора были известны с 1950-х годов.[15] Самопроизвольное образование нанопроволок некаталитическими методами объяснялось вывих присутствовать в конкретных направлениях[16][17] или анизотропия роста различных хрустальные грани. Совсем недавно, после развития микроскопии, рост нанопроволок за счет винтовые дислокации[18][19] или же двойные границы[20] были продемонстрированы. На рисунке справа показан рост одного атомного слоя на кончике нанопроволоки CuO, наблюдаемый in situ. ТЕМ микроскопия при некаталитическом синтезе нанопроволоки.

ДНК-шаблонный синтез металлических нанопроволок

Возникающая область - использование цепей ДНК в качестве каркаса для синтеза металлических нанопроволок. Этот метод исследуется как для синтеза металлических нанопроволок в электронных компонентах, так и для приложений биочувствительности, в которых они позволяют трансдукцию нити ДНК в металлическую нанопроволоку, которая может быть обнаружена электрически. Обычно нити оцДНК растягиваются, после чего их украшают металлическими наночастицами, которые функционализированы короткими комплементарными цепями оцДНК.[21][22][23][24]

Литография теневой маски с выделением трещин

Недавно было сообщено о простом методе производства нанопроволок определенной геометрии с использованием традиционной оптической литографии.[25] В этом подходе оптическая литография используется для создания нанозазоров с контролируемым образованием трещин.[26] Эти нанозазоры затем используются в качестве теневой маски для создания отдельных нанопроволок с точной длиной и шириной. Этот метод позволяет производить отдельные нанопроволоки шириной менее 20 нм с возможностью масштабирования из нескольких металлических материалов и оксидов металлов.

Физика

Проводимость нанопроволок

An SEM изображение никелевой проволоки диаметром 15 мкм.

Несколько физических причин предсказывают, что проводимость нанопроволоки будет намного меньше, чем у соответствующего объемного материала. Во-первых, это рассеяние от границ проволоки, влияние которого будет очень значительным, если ширина проволоки меньше длины свободного пробега свободных электронов в массивном материале. В меди, например, длина свободного пробега составляет 40 нм. Медные нанопроволоки шириной менее 40 нм сокращают длину свободного пробега до ширины проволоки. Серебряные нанопроволоки имеют очень отличную электрическую и теплопроводность от массивного серебра.[27]

Нанопроволоки также проявляют другие специфические электрические свойства из-за своего размера. В отличие от одностенных углеродных нанотрубок, движение электронов которых может подпадать под режим баллистический транспорт (это означает, что электроны могут свободно перемещаться от одного электрода к другому), на проводимость нанопроволоки сильно влияют краевые эффекты. Краевые эффекты возникают из-за атомов, которые лежат на поверхности нанопроволоки и не полностью связаны с соседними атомами, как атомы в объеме нанопроволоки. Несвязанные атомы часто являются источником дефектов внутри нанопроволоки и могут привести к тому, что нанопроволока будет проводить электричество хуже, чем объемный материал. По мере того, как нанопроволока уменьшается в размере, поверхностных атомов становится больше по сравнению с атомами внутри нанопроволоки, и краевые эффекты становятся более важными.

Кроме того, проводимость может подвергаться квантованию по энергии: то есть энергия электронов, проходящих через нанопроволоку, может принимать только дискретные значения, которые кратны квант проводимости G = 2e2/час (куда е это заряд электрона и час это Постоянная Планка. См. Также Квантовый эффект Холла ).

Таким образом, проводимость описывается как сумма переноса отдельных каналы различных квантованных уровней энергии. Чем тоньше провод, тем меньше каналов для переноса электронов.

Это квантование было продемонстрировано путем измерения проводимости нанопроволоки, подвешенной между двумя электродами при натяжении: по мере уменьшения диаметра ее проводимость скачкообразно уменьшается, а плато соответствует кратным G.

Квантование проводимости более выражено в полупроводниках, таких как Si или GaAs, чем в металлах, из-за их более низкой электронной плотности и более низкой эффективной массы. Это можно наблюдать в кремниевых пластинах шириной 25 нм и приводит к увеличению пороговое напряжение. На практике это означает, что МОП-транзистор с такими наноразмерными кремниевыми ребрами при использовании в цифровых приложениях потребуется более высокое напряжение затвора (управления) для включения транзистора.[28]

Сварка нанопроволок

Чтобы внедрить технологию нанопроволоки в промышленное применение, исследователи в 2008 году разработали метод совместной сварки нанопроволок: жертвенный металл нанопроволока размещается рядом с концами соединяемых частей (с помощью манипуляторов растровый электронный микроскоп ); затем подается электрический ток, который плавит концы провода. Технология плавления проводов размером до 10 нм.[29]

Для нанопроволок диаметром менее 10 нм существующие методы сварки, которые требуют точного управления механизмом нагрева и которые могут привести к повреждению, не будут практичными. Недавно ученые обнаружили, что монокристаллические ультратонкие золотые нанопроволоки диаметром ~ 3–10 нм можно «сваривать в холодном состоянии» в течение нескольких секунд одним лишь механическим контактом и при очень низких приложенных давлениях (в отличие от макро- и микромасштабов). холодная сварка процесс).[30] Высокое разрешение просвечивающая электронная микроскопия и на месте измерения показывают, что сварные швы почти идеальны, с такой же ориентацией кристаллов, прочностью и электропроводностью, что и остальная нанопроволока. Высокое качество сварных швов объясняется наноразмерными размерами образца, ориентированными механизмами крепления и быстрым механическим воздействием. поверхностная диффузия. Также были продемонстрированы сварные швы нанопроволоки между золотом и серебром, и серебряные нанопроволоки (диаметром ~ 5–15 нм) при температуре, близкой к комнатной, что указывает на то, что этот метод может быть в целом применим для сверхтонких металлических нанопроволок. В сочетании с другими технологиями нано- и микротехнологии,[31][32] холодная сварка ожидаются потенциальные приложения в будущем вверх дном сборка металлических одномерных наноструктур.

Механические свойства нанопроволок

Исследование механических свойств нанопроволок.

Кривая напряжения-деформации обеспечивает все соответствующие механические свойства, включая: модуль упругости, предел текучести, предел прочности при растяжении и прочность на излом

Изучение механики нанопроволоки бурно развилось с появлением Атомно-силовой микроскоп (AFM) и связанные с ними технологии, которые позволили напрямую изучить реакцию нанопроволоки на приложенную нагрузку.[33] В частности, нанопроволока может быть зажата с одного конца, а свободный конец перемещен наконечником АСМ. В этой геометрии кантилевера точно известна высота AFM и приложенная сила. Это позволяет построить кривую зависимости силы от смещения, которую можно преобразовать в напряжение против деформации кривой, если известны размеры нанопроволоки. Из кривой напряжения-деформации упругая постоянная, известная как Модуль для младших можно вывести, а также стойкость, и степень деформационное упрочнение.

Модуль Юнга нанопроволок

Об упругой составляющей кривой напряжения-деформации, описываемой модулем Юнга, сообщалось для нанопроволок, однако этот модуль очень сильно зависит от микроструктуры. Таким образом, полное описание зависимости модуля от диаметра отсутствует. Аналитически, механика сплошной среды был применен для оценки зависимости модуля от диаметра: в напряжении, где - объемный модуль, - толщина слоя оболочки, в котором модуль упругости зависит от поверхности и изменяется от объема, - модуль поверхности, а это диаметр.[33] Это уравнение подразумевает, что модуль увеличивается с уменьшением диаметра. Однако различные вычислительные методы, такие как молекулярная динамика, предсказывают, что модуль должен уменьшаться с уменьшением диаметра.

Экспериментально золотые нанопроволоки обладают модулем Юнга, который фактически не зависит от диаметра.[34] По аналогии, нано-вдавливание был применен для исследования модуля серебряных нанопроволок, и снова оказалось, что модуль упругости составляет 88 ГПа, что очень похоже на модуль объемного серебра (85 ГПа).[35] Эти работы продемонстрировали, что аналитически определенная зависимость модуля, по-видимому, подавляется в образцах нанопроволоки, кристаллическая структура которых очень напоминает структуру объемной системы.

Напротив, твердые нанопроволоки Si были изучены и показали, что модуль упругости уменьшается с увеличением диаметра.[36] Авторы этой работы сообщают, что модуль упругости Si вдвое меньше объемного значения, и они предполагают, что это различие может быть объяснено плотностью точечных дефектов и / или потерей химической стехиометрии.

Предел текучести нанопроволок

Пластическая составляющая кривой напряжения-деформации (или, точнее, начало пластичности) описывается предел текучести. Прочность материала увеличивается за счет уменьшения количества дефектов в твердом теле, что естественно возникает в наноматериалы где объем твердого тела уменьшен. Поскольку нанопроволока сжимается до единственной линии атомов, прочность теоретически должна возрасти до предела прочности на разрыв молекулы.[33] Золотые нанопровода были охарактеризованы как «сверхвысокая прочность» из-за экстремального увеличения предела текучести, приближающегося к теоретическому значению E / 10.[34] Этот огромный рост урожайности определен из-за отсутствия вывихи в твердом. Без движения дислокации действует механизм «дислокация-голодание». Соответственно, материал может испытывать огромные напряжения до того, как станет возможным движение дислокации, а затем начинает деформироваться. По этим причинам нанопроволоки (исторически называемые «усами») широко используются в композитах для повышения общей прочности материала.[33] Более того, нанопроволоки продолжают активно изучаться, и исследования направлены на преобразование улучшенных механических свойств в новые устройства в области МЭМС или же NEMS.

Приложения

Электронные устройства

Результат атомистического моделирования для формирования канала инверсии (электронной плотности) и достижения порогового напряжения (IV) в полевом МОП-транзисторе с нанопроволокой. Обратите внимание, что пороговое напряжение для этого устройства составляет около 0,45 В.

Нанопроволоки можно использовать для МОП-транзисторы (MOS полевые транзисторы ). МОП транзисторы широко используются в качестве основных строительных элементов в современных электронных схемах.[37][38] Как и предсказывал Закон Мура, размерность MOS транзисторы сжимается все меньше и меньше до наноразмеров. Одна из ключевых задач создания будущих наноразмерных МОП-транзисторов - обеспечение хорошего управления затвором канала. Из-за высокого соотношения сторон, если диэлектрик затвора обернут вокруг канала нанопроволоки, мы можем получить хороший контроль над электростатическим потенциалом канала, тем самым эффективно включая и выключая транзистор.

Благодаря уникальной одномерной структуре с замечательными оптическими свойствами, нанопроволока также открывает новые возможности для реализации высокоэффективных фотоэлектрических устройств.[39] По сравнению с массивными аналогами, солнечные элементы на основе нанопроволоки менее чувствительны к примесям из-за объемной рекомбинации, и, таким образом, кремниевые пластины с более низкой чистотой могут использоваться для достижения приемлемой эффективности, что приводит к снижению расхода материала.[40]

Для создания активных электронных элементов первым ключевым шагом было химическое легирование полупроводниковой нанопроволоки. Это уже было сделано с отдельными нанопроводами для создания полупроводников p-типа и n-типа.

Следующим шагом было найти способ создать p – n переход, одно из самых простых электронных устройств. Это было достигнуто двумя способами. Первый способ заключался в том, чтобы физически пересечь провод p-типа над проводом n-типа. Второй метод заключался в химическом легировании одиночной проволоки различными легирующими добавками по длине. Этот метод создавал p-n-переход только с одним проводом.

После того, как p-n-переходы были построены с помощью нанопроволок, следующим логическим шагом было создание логические ворота. Соединив несколько p-n-переходов вместе, исследователи смогли создать основу всех логических схем: И, ИЛИ ЖЕ, и НЕТ Все ворота были построены из пересечений полупроводниковых нанопроволок.

В августе 2012 года исследователи сообщили о строительстве первого Ворота NAND из нелегированных кремниевых нанопроволок. Это позволяет избежать нерешенной проблемы, связанной с прецизионным легированием дополнительных наноцепей. Они смогли контролировать Барьер Шоттки для достижения контактов с низким сопротивлением путем размещения силицид слой на границе металл-кремний.[41]

Возможно, пересечение полупроводниковых нанопроводов будет иметь важное значение для будущего цифровых вычислений. Хотя есть и другие применения нанопроволок помимо этого, единственные, которые действительно используют преимущества физики в нанометровом режиме, являются электронными.[42]

Кроме того, нанопроволоки также изучаются для использования в качестве фотонных баллистических волноводов в качестве межсоединений в квантовая точка Матрицы фотонной логики / квантовых ям. Фотоны перемещаются внутри трубки, электроны перемещаются по внешней оболочке.

Когда две нанопроволоки, действующие как световоды фотонов, пересекают друг друга, соединение действует как квантовая точка.

Проводящие нанопроволоки дают возможность соединять объекты молекулярного масштаба в молекулярном компьютере. Дисперсии проводящих нанопроволок в различных полимерах исследуются для использования в качестве прозрачных электродов для гибких дисплеев с плоским экраном.

Из-за их высокого Модули Юнга, их использование в механическом улучшении композитов изучается. Поскольку нанопроволоки собираются в пучки, их можно использовать в качестве трибологических добавок для улучшения характеристик трения и надежности электронных преобразователей и исполнительных механизмов.

Благодаря высокому соотношению сторон нанопроволоки также идеально подходят для диэлектрофорез манипуляция[43][44][45] который предлагает недорогой восходящий подход к интеграции подвешенных диэлектрических нанопроволок оксида металла в электронные устройства, такие как датчики ультрафиолетового излучения, водяного пара и этанола.[46]

Из-за большого отношения поверхности к объему физико-химические реакции на поверхности нанопроволок считаются благоприятными. Это может способствовать работе механизмов деградации некоторых нанопроволок при определенных условиях обработки, например, в плазменной среде.[47].

Устройства с одной нанопроволокой для газового и химического зондирования

Как упоминалось ранее, высокое соотношение сторон нанопроволок делает эти наноструктуры подходящими для электрохимического зондирования с потенциалом максимальной чувствительности. Одна из проблем, связанных с использованием нанопроволок в коммерческих продуктах, связана с изоляцией, обращением и интеграцией нанопроволок в электрическую цепь при использовании традиционного и ручного подхода по выбору и установке, что приводит к очень ограниченной пропускной способности. Недавние разработки в методах синтеза нанопроволоки теперь позволяют параллельно производить устройства с одиночными нанопроволоками с полезными приложениями в электрохимии, фотонике, а также в газо- и биодатчиках.[25]

Нанопроволочные лазеры

Нанопроволочные лазеры для сверхбыстрой передачи информации в световых импульсах

Нанопроволочные лазеры наноразмерны лазеры с потенциалом в качестве оптических межсоединений и оптической передачи данных на кристалле. Лазеры на основе нанопроволоки построены на основе полупроводниковых гетероструктур III – V, высокий показатель преломления обеспечивает низкие оптические потери в сердцевине нанопроволоки. Нанопроволочные лазеры - это субволновые лазеры с длиной волны всего несколько сотен нанометров.[48][49] Нанопроволочные лазеры представляют собой резонаторные полости Фабри – Перо, определяемые торцами провода с высокой отражательной способностью, недавние разработки продемонстрировали частоту повторения более 200 ГГц, что открывает возможности для оптической связи на уровне кристалла.[50][51]

Определение белков и химикатов с помощью полупроводниковых нанопроволок

Аналогично устройствам на полевых транзисторах, в которых модуляция проводимости (поток электронов / дырок) в полупроводнике между входом (исток) и выходом (сток) контролируется изменением электростатического потенциала (электрод затвора) носителей заряда в канале проводимости устройства, методология Bio / Chem-FET основана на обнаружении локального изменения плотности заряда или так называемого «полевого эффекта», который характеризует событие распознавания между целевой молекулой и поверхностный рецептор.

Это изменение поверхностного потенциала влияет на устройство Chem-FET точно так же, как напряжение «затвора», что приводит к обнаруживаемым и измеримым изменениям проводимости устройства. Когда эти устройства изготавливаются с использованием полупроводниковых нанопроволок в качестве транзисторного элемента, связывание химического или биологического вещества с поверхностью датчика может привести к истощению или накоплению носителей заряда в «основной части» нанопроволоки нанометрового диаметра, т.е. раздел, доступный для каналов проводимости). Кроме того, провод, который служит настраиваемым проводящим каналом, находится в тесном контакте с окружающей средой обнаружения цели, что приводит к короткому времени отклика, а также к увеличению на порядки чувствительности устройства в результате огромного Отношение S / V нанопроволок.

В то время как несколько неорганических полупроводниковых материалов, таких как Si, Ge и оксиды металлов (например, In2O3, SnO2, ZnO и т. Д.), Использовались для изготовления нанопроволок, Si обычно является предпочтительным материалом при изготовлении химио- / биосенсоров на основе полевых транзисторов на основе нанопроволок. .[52]

Несколько примеров использования кремниевая нанопроволока (SiNW) сенсорные устройства включают сверхчувствительное зондирование белков-биомаркеров рака в реальном времени, обнаружение отдельных вирусных частиц и обнаружение нитроароматических взрывчатых материалов, таких как 2,4,6-тринитротолуол (TNT) в чувствительных элементах. превосходит собак.[53]Кремниевые нанопроволоки также можно использовать в их скрученной форме в качестве электромеханических устройств для измерения межмолекулярных сил с большой точностью.[54]

Ограничения зондирования с кремниевая нанопроволока Полевые транзисторы

Обычно заряды растворенных молекул и макромолекул экранируются растворенными противоионами, поскольку в большинстве случаев молекулы, связанные с устройствами, отделены от поверхности сенсора примерно на 2–12 нм (размер рецепторных белков или линкеров ДНК, связанных с сенсором). поверхность). В результате экранирования электростатический потенциал, который возникает из-за зарядов на молекуле аналита, экспоненциально спадает к нулю с расстоянием. Таким образом, для оптимального восприятия Длина Дебая должны быть тщательно отобраны для измерений полевых транзисторов на основе нанопроволоки. Один из подходов к преодолению этого ограничения заключается в использовании фрагментации блоков, улавливающих антитела, и контроля плотности поверхностных рецепторов, что обеспечивает более тесное связывание с нанопроволокой целевого белка. Этот подход оказался полезным для значительного повышения чувствительности сердечные биомаркеры (например. Тропонин ) обнаружение непосредственно из сыворотки для диагностики острого инфаркта миокарда.[55]

Кукурузоподобные нанопроволоки

Кукурузоподобная нанопроволока - это одномерная нанопроволока с взаимосвязанными наночастицами на поверхности, обеспечивающая большой процент реактивных граней. TiO2 Кукурузоподобные нанопроволоки были впервые получены с помощью концепции модификации поверхности с использованием механизма поверхностного натяжения посредством двух последовательных гидротермальных операций и показали увеличение на 12% эффективности сенсибилизированного красителем солнечного элемента в светорассеивающем слое.[56] Кукурузоподобные нанопровода CdSe, выращенные методом химического осаждения из ванны, и кукурузоподобное γ-Fe2О3@SiO2@TiO2 о фотокатализаторах, индуцированных магнитными дипольными взаимодействиями, также сообщалось ранее.[57][58]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Boston, R .; Schnepp, Z .; Nemoto, Y .; Sakka, Y .; Холл, С. Р. (2014). "Наблюдение с помощью ПЭМ микрокруби-механизма роста нанопроволоки". Наука. 344 (6184): 623–6. Bibcode:2014Научный ... 344..623B. Дои:10.1126 / science.1251594. HDL:1983 / 8f23c618-23f8-46e1-a1d9-960a0b491b1f. PMID  24812400. S2CID  206555658.
  2. ^ Картер, Робин; Суетин Михаил; Листер, Саманта; Дайсон, М. Адам; Трюитт, Харрисон; Гоэль, Санам; Лю, Чжэн; Суэнага, Кадзу; Джуска, Кристина; Каштибан, Реза Дж .; Hutchison, John L .; Доре, Джон С .; Белл, Гэвин Р .; Бичуцкая Елена; Слоан, Джереми (2014). «Расширение запрещенной зоны, сдвиговой инверсии фазового изменения и низковольтные индуцированные колебания кристалла в низкоразмерных кристаллах селенида олова». Далтон Транс. 43 (20): 7391–9. Дои:10.1039 / C4DT00185K. PMID  24637546.
  3. ^ Спенсер, Джозеф; Несбит, Джон; Трюитт, Харрисон; Каштибан, Реза; Белл, Гэвин; Иванов Виктор; Фолкес, Эрик; Смит, Дэвид (2014). «Рамановская спектроскопия оптических переходов и колебательной энергии ~ 1 нм экстремальных нанопроволок HgTe в однослойных углеродных нанотрубках» (PDF). САУ Нано. 8 (9): 9044–52. Дои:10.1021 / nn5023632. PMID  25163005.
  4. ^ постоянная фон Клитцинга. Physics.nist.gov
  5. ^ Шкондин, Э .; Такаяма, О., Арьяи Панах, М. Э .; Лю П., Ларсен П. В .; Mar, M. D., Jensen, F .; Лавриненко, А. В. (2017). «Крупномасштабные массивы наностолбиков ZnO, легированных алюминием с высоким аспектным соотношением, в качестве анизотропных метаматериалов» (PDF). Оптические материалы Экспресс. 7 (5): 1606–1627. Bibcode:2017OMExp ... 7.1606S. Дои:10.1364 / OME.7.001606.
  6. ^ Шкондин, Э .; Алимадади, Х., Такаяма, О .; Йенсен, Ф., Лавриненко, А. В. (2020). «Изготовление полых коаксиальных отдельно стоящих нанотрубок Al2O3 / ZnAl2O4 с высоким аспектным соотношением на основе эффекта Киркендалла». Журнал вакуумной науки и технологий A. 38 (1): 1606–1627. Bibcode:2020JVSTA..38a3402S. Дои:10.1116/1.5130176.
  7. ^ Лю, М .; Peng, J .; и другие. (2016). «Двумерное моделирование самоограничивающегося окисления в кремниевых и вольфрамовых нанопроводах». Письма по теоретической и прикладной механике. 6 (5): 195–199. Дои:10.1016 / j.taml.2016.08.002.
  8. ^ Вагнер, Р. С .; Эллис, У. К. (1964). «Пар-жидкость-твердый механизм роста монокристаллов». Appl. Phys. Латыш. 4 (5): 89. Bibcode:1964ApPhL ... 4 ... 89Вт. Дои:10.1063/1.1753975.
  9. ^ Zhang, H .; и другие. (2016). «Приближение к идеальному пределу упругой деформации в кремниевых нанопроводах». Достижения науки. 2 (8): e1501382. Bibcode:2016SciA .... 2E1382Z. Дои:10.1126 / sciadv.1501382. ЧВК  4988777. PMID  27540586.
  10. ^ Инь, Си; Ву, Цзяньбо; Ли, Панпан; Ши, Мяо; Ян, Хун (январь 2016 г.). «Самонагревающийся подход к быстрому производству однородных металлических наноструктур». ChemNanoMat. 2 (1): 37–41. Дои:10.1002 / cnma.201500123.
  11. ^ Holmes, J.D .; Johnston, K. P .; Doty, R.C .; Коргель, Б.А. (2000). «Контроль толщины и ориентации кремниевых нанопроволок, выращенных из раствора». Наука. 287 (5457): 1471–3. Bibcode:2000Sci ... 287.1471H. Дои:10.1126 / science.287.5457.1471. PMID  10688792.
  12. ^ Heitsch, Andrew T .; Ахаван, Вахид А .; Коргель, Брайан А. (2011). «Быстрый синтез SFLS Si нанопроволок с использованием трисилана с пассивацией алкиламина in situ». Химия материалов. 23 (11): 2697–2699. Дои:10,1021 / см 2007704.
  13. ^ Hanrath, T .; Коргель, Б.А. (2003). «Сверхкритический синтез флюид – жидкость – твердое тело (SFLS) из нанопроволок Si и Ge, засеянных нанокристаллами коллоидных металлов». Современные материалы. 15 (5): 437–440. Дои:10.1002 / adma.200390101.
  14. ^ Rackauskas, S .; Насибулин, А.Г .; Jiang, H .; Tian, ​​Y .; Клещ, В. И .; Sainio, J .; Образцова, Э. Д .; Бокова, С. Н .; Образцов, А. Н .; Кауппинен, Э. И. (2010). "Новый метод синтеза нанопроволоки оксида металла". Нанотехнологии. 20 (16): 165603. Bibcode:2009Нанот..20п5603Р. Дои:10.1088/0957-4484/20/16/165603. PMID  19420573. S2CID  3529748.
  15. ^ Sears, G.W. (1955). «Механизм роста усов ртути». Acta Metall. 3 (4): 361–366. Дои:10.1016/0001-6160(55)90041-9.
  16. ^ Франк, Ф. К. (1949). «Влияние дислокаций на рост кристаллов». Обсуждения общества Фарадея. 5: 48. Дои:10.1039 / df9490500048. S2CID  53512926.
  17. ^ Burton, W. K .; Cabrera, N .; Франк, Ф. К. (1951). «Рост кристаллов и равновесная структура их поверхности». Филос. Пер. R. Soc. Лондон А. 243 (866): 299–358. Bibcode:1951РСПТА.243..299Б. Дои:10.1098 / рста.1951.0006. S2CID  119643095.
  18. ^ Morin, S.A .; Bierman, M. J .; Tong, J .; Джин, С. (2010). «Механизм и кинетика спонтанного роста нанотрубок за счет винтовых дислокаций». Наука. 328 (5977): 476–480. Bibcode:2010Sci ... 328..476M. Дои:10.1126 / science.1182977. PMID  20413496. S2CID  30955349.
  19. ^ Bierman, M. J .; Lau, Y.K.A .; Квит, А. В; Schmitt, A. L .; Джин, С. (2008). "Дислокационный рост нанопроволоки и скручивание Эшелби". Наука. 320 (5879): 1060–1063. Bibcode:2008Sci ... 320.1060B. Дои:10.1126 / science.1157131. PMID  18451264. S2CID  20919593.
  20. ^ Rackauskas, S .; Jiang, H .; Wagner, J. B .; Шандаков, С.Д .; Hansen, T. W .; Kauppinen, E. I .; Насибулин А.Г. (2014). "Исследование на месте некаталитического роста нанопроволоки оксида металла". Nano Lett. 14 (10): 5810–5813. Bibcode:2014NanoL..14.5810R. Дои:10.1021 / nl502687s. PMID  25233273.
  21. ^ Го; и другие. (2018). «Эффективный синтез трансмембранных золотых нанопроволок с помощью ДНК». Микросистемы и нанотехнология. 4: 17084. Дои:10.1038 / micronano.2017.84.
  22. ^ Тешоме, Безу; Факско, Стефан; Шёнхерр, Томми; Кербуш, Йохен; Келлер, Адриан; Эрбе, Артур (2016). «Температурно-зависимый перенос заряда через индивидуально контактирующие ДНК-оригами на основе нанопроволоки». Langmuir. 32 (40): 10159–10165. Дои:10.1021 / acs.langmuir.6b01961. PMID  27626925.
  23. ^ Ракитин, А; Aich, P; Пападопулос, К; Кобзарь Ю. Веденеев, А. С; Ли, Дж. С; Сюй, Дж. М. (2001). «Металлическая проводимость через инженерные ДНК: наноэлектронные строительные блоки ДНК». Письма с физическими проверками. 86 (16): 3670–3. Bibcode:2001ПхРвЛ..86.3670Р. Дои:10.1103 / PhysRevLett.86.3670. PMID  11328050.
  24. ^ Онгаро, А; Гриффин, Ф; Nagle, L; Якопино, Д; Eritja, R; Фитцморис, Д. (2004). "ДНК-шаблонная сборка функционализированного белком Nanogap электрода". Современные материалы. 16 (20): 1799–1803. Дои:10.1002 / adma.200400244.
  25. ^ а б Энрико; и другие. (2019). «Масштабируемое производство одинарных нанопроволочных устройств с использованием литографии теневой маски с выделением трещин». ACS Appl. Mater. Интерфейсы. 11: 8217–8226. Дои:10.1021 / acsami.8b19410.
  26. ^ Дюбуа; и другие. (2016). «Электронные нанозазоры с трещинами». Современные материалы. 28: 2172178–2182. Дои:10.1002 / adma.201504569.
  27. ^ Ченг, Чжэ; Лю, Лунцзюй; Сюй, Шэнь; Лу, Мэн; Ван, Синьвэй (2015-06-02). "Temperature Dependence of Electrical and Thermal Conduction in Single Silver Nanowire". Научные отчеты. 5 (1): 10718. Дои:10.1038/srep10718. ISSN  2045-2322.
  28. ^ Tilke, A. T.; Simmel, F. C.; Lorenz, H.; Blick, R. H.; Kotthaus, J. P. (2003). "Quantum interference in a one-dimensional silicon nanowire". Физический обзор B. 68 (7): 075311. Bibcode:2003PhRvB..68g5311T. Дои:10.1103/PhysRevB.68.075311.
  29. ^ Halford, Bethany (2008). "Wee Welding with Nanosolder". Новости химии и машиностроения. 86 (51): 35.
  30. ^ Lu, Yang; Huang, Jian Yu; Ван, Чао; Sun, Shouheng; Lou, Jun (2010). "Cold welding of ultrathin gold nanowires". Природа Нанотехнологии. 5 (3): 218–24. Bibcode:2010NatNa...5..218L. Дои:10.1038/nnano.2010.4. PMID  20154688.
  31. ^ Чжун, З .; Wang, D; Cui, Y; Bockrath, M. W.; Lieber, C. M. (2003). "Nanowire Crossbar Arrays as Address Decoders for Integrated Nanosystems" (PDF). Наука. 302 (5649): 1377–9. Bibcode:2003Sci...302.1377Z. Дои:10.1126/science.1090899. PMID  14631034. S2CID  35084433.
  32. ^ Huo, F.; Zheng, Z .; Zheng, G .; Giam, L. R.; Zhang, H .; Mirkin, C. A. (2008). "Polymer Pen Lithography" (PDF). Наука. 321 (5896): 1658–60. Bibcode:2008Sci...321.1658H. Дои:10.1126/science.1162193. PMID  18703709. S2CID  354452.
  33. ^ а б c d Wang, Shiliang; Shan, Zhiwei; Huang, Han (2017-01-03). "The Mechanical Properties of Nanowires". Передовая наука. 4 (4): 1600332. Дои:10.1002/advs.201600332. ЧВК  5396167. PMID  28435775.
  34. ^ а б Ву, Бин; Heidelberg, Andreas; Boland, John J. (2005-06-05). "Mechanical properties of ultrahigh-strength gold nanowires". Материалы Природы. 4 (7): 525–529. Bibcode:2005NatMa...4..525W. Дои:10.1038/nmat1403. ISSN  1476-1122. PMID  15937490. S2CID  34828518.
  35. ^ Ли, Сяодун; Gao, Hongsheng; Murphy, Catherine J.; Caswell, K. K. (Nov 2003). "Nanoindentation of Silver Nanowires". Nano Letters. 3 (11): 1495–1498. Bibcode:2003NanoL...3.1495L. Дои:10.1021/nl034525b. ISSN  1530-6984.
  36. ^ Ван, Чжун Линь; Dai, Zu Rong; Gao, Ruiping; Gole, James L. (2002-03-27). "Measuring the Young's modulus of solid nanowires byin situTEM". Journal of Electron Microscopy. 51 (suppl 1): S79–S85. Дои:10.1093/jmicro/51.Supplement.S79. ISSN  0022-0744. S2CID  53588258.
  37. ^ "Triumph of the MOS Transistor". YouTube. Музей истории компьютеров. 6 августа 2010 г.. Получено 21 июля 2019.
  38. ^ Raymer, Michael G. (2009). The Silicon Web: Physics for the Internet Age. CRC Press. п. 365. ISBN  9781439803127.
  39. ^ Ю, Пэн; Ву, Цзян; Liu, Shenting; Xiong, Jie; Джагадиш, Ченнупати; Wang, Zhiming M. (2016-12-01). "Design and fabrication of silicon nanowires towards efficient solar cells". Nano Today. 11 (6): 704–737. Дои:10.1016/j.nantod.2016.10.001.
  40. ^ Kayes, Brendan M.; Atwater, Harry A.; Lewis, Nathan S. (2005-05-23). "Comparison of the device physics principles of planar and radial p-n junction nanorod solar cells" (PDF). Журнал прикладной физики. 97 (11): 114302–114302–11. Bibcode:2005JAP....97k4302K. Дои:10.1063/1.1901835. ISSN  0021-8979.
  41. ^ Mongillo, Massimo; Spathis, Panayotis; Katsaros, Georgios; Gentile, Pascal; De Franceschi, Silvano (2012). "Multifunctional Devices and Logic Gates with Undoped Silicon Nanowires". Nano Letters. 12 (6): 3074–9. arXiv:1208.1465. Bibcode:2012NanoL..12.3074M. Дои:10.1021/nl300930m. PMID  22594644. S2CID  22112655.
  42. ^ Appenzeller, Joerg; Knoch, Joachim; Bjork, Mikael T.; Riel, Heike; Schmid, Heinz; Riess, Walter (2008). "Toward nanowire electronics". Транзакции IEEE на электронных устройствах. 55 (11): 2827–2845. Bibcode:2008ITED...55.2827A. Дои:10.1109/TED.2008.2008011. S2CID  703393.
  43. ^ Wissner-Gross, A. D. (2006). "Dielectrophoretic reconfiguration of nanowire interconnects" (PDF). Нанотехнологии. 17 (19): 4986–4990. Bibcode:2006Nanot..17.4986W. Дои:10.1088/0957-4484/17/19/035.
  44. ^ "Nanowires get reconfigured". nanotechweb.org. October 19, 2006. Archived from оригинал 22 мая 2007 г.. Получено 18 января, 2007.
  45. ^ Grange, R.; Choi, J.W.; Hsieh, C.L.; Pu, Y.; Magrez, A.; Smajda, R.; Forro, L.; Psaltis, D. (2009). "Lithium niobate nanowires: synthesis, optical properties and manipulation". Письма по прикладной физике. 95 (14): 143105. Bibcode:2009ApPhL..95n3105G. Дои:10.1063/1.3236777. Архивировано из оригинал на 2016-05-14.
  46. ^ Vizcaíno, J. L. P.; Núñez, C. G. A. (2013). "Fast, effective manipulation of nanowires for electronic devices". Отдел новостей SPIE. Дои:10.1117/2.1201312.005260. S2CID  124474608.
  47. ^ Coradini, Diego S. R.; Tunes, Matheus A.; Kremmer, Thomas M.; Schön, Claudio G.; Uggowitzer, Peter J.; Pogatscher, Stefan (2020-11-05). "Degradation of Cu nanowires in a low-reactive plasma environment". npj Materials Degradation. 4 (1): 1–8. Дои:10.1038/s41529-020-00137-2. ISSN  2397-2106.
  48. ^ Koblmüller, Gregor; и другие. (2017). "GaAs–AlGaAs core–shell nanowire lasers on silicon: invited review". Полупроводниковая наука и технологии. 32 (5). 053001. Bibcode:2017SeScT..32e3001K. Дои:10.1088/1361-6641/aa5e45.
  49. ^ Yan, Ruoxue; Gargas, Daniel; Yang, Peidong (2009). "Nanowire photonics". Природа Фотоника. 3 (10): 569–576. Bibcode:2009NaPho...3..569Y. Дои:10.1038/nphoton.2009.184.
  50. ^ Mayer, B .; и другие. (2015). "Monolithically integrated high-β nanowire lasers on silicon". Nano Letters. 16 (1): 152–156. Дои:10.1021 / acs.nanolett.5b03404.
  51. ^ Mayer, B .; и другие. (2017). "Long-term mutual phase locking of picosecond pulse pairs generated by a semiconductor nanowire laser". Nature Communications. 8. 15521. arXiv:1603.02169. Bibcode:2017NatCo...815521M. Дои:10.1038/ncomms15521. PMID  28534489. S2CID  1099474.
  52. ^ Lu, Wei; Xiang, Jie, eds. (2015). Semiconductor Nanowires. Cambridge: Royal Society of Chemistry.
  53. ^ Engel, Yoni; Elnathan, Roey; Pevzner, Alexander; Davidi, Guy; Flaxer, Eli; Patolsky, Fernando (2010). "Supersensitive Detection of Explosives by Silicon Nanowire Arrays". Angewandte Chemie International Edition. 49 (38): 6830–6835. Дои:10.1002/anie.201000847. PMID  20715224.
  54. ^ Garcia, J.C .; Justo, J. F. (2014). "Twisted ultrathin silicon nanowires: A possible torsion electromechanical nanodevice". Europhys. Латыш. 108 (3): 36006. arXiv:1411.0375. Bibcode:2014EL....10836006G. Дои:10.1209/0295-5075/108/36006. S2CID  118792981.
  55. ^ Elnathan, Roey; Kwiat, M.; Pevzner, A.; Engel, Y.; Burstein, L.; Khatchtourints, A.; Лихтенштейн, А .; Kantaev, R.; Patolsky, F. (10 September 2012). "Biorecognition Layer Engineering: Overcoming Screening Limitations of Nanowire-Based FET Devices". Nano Letters. 12 (10): 5245–5254. Bibcode:2012NanoL..12.5245E. Дои:10.1021/nl302434w. PMID  22963381.
  56. ^ Bakhshayesh, A. M.; Mohammadi, M. R .; Dadar, H.; Fray, D. J. (2013). "Improved efficiency of dye-sensitized solar cells aided by corn-like TiO2 nanowires as the light scattering layer". Electrochimica Acta. 90 (15): 302–308. Дои:10.1016/j.electacta.2012.12.065.
  57. ^ Gubur, H. M.; Septekin, F.; Alpdogan, S.; Sahan, B.; Zeyrek, B. K. (2016). "Structural properties of CdSe corn-like nanowires grown by chemical bath deposition". Журнал материаловедения: материалы в электронике. 27 (7): 7640–7645. Дои:10.1007/s10854-016-4748-2. S2CID  137884561.
  58. ^ Wang, F .; Li, M .; Ю., Л .; Вс, ф .; Wang, Z .; Zhang, L .; Zeng, H .; Сюй, X. (2017). "Corn-like, Recoverable γ-Fe2О3@SiO2@TiO2 Photocatalyst Induced by Magnetic Dipole Interactions". Sci. Представитель. 7 (1). 6960. Bibcode:2017NatSR...7.6960W. Дои:10.1038/s41598-017-07417-z. PMID  28761085. S2CID  6058050.

внешняя ссылка