Кремниевая нанопроволока - Silicon nanowire

Кремниевые нанопроволоки, также называемый SiNWs, являются типом полупроводника нанопроволока чаще всего формируется из кремний прекурсор травлением твердого тела или катализируемым ростом из паровой или жидкой фазы. Такие нанопроволоки имеют многообещающее применение в литий-ионных аккумуляторах, термоэлектрики и датчики. Первоначальный синтез КНН часто сопровождается термическое окисление шаги для создания структур точно подобранного размера и морфологии.[1]

КНН обладают уникальными свойствами, которые не наблюдаются в объемных (трехмерных) кремниевых материалах. Эти свойства возникают из необычной квазиодномерной электронной структуры и являются предметом исследований в различных дисциплинах и приложениях. Причина, по которой SiNW считаются одним из наиболее важных одномерных материалов, заключается в том, что они могут выполнять функцию строительных блоков для электроники наноразмеров, собираемой без необходимости в сложных и дорогостоящих производственных мощностях.[2] SiNW часто изучаются с точки зрения приложений, включая фотогальваника, нанопроволочные батареи, термоэлектричество и энергонезависимая память.[3]

Приложения

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

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

Характеристики захвата заряда и настраиваемые транспортные свойства КНН, регулируемые поверхностью, делают эту категорию наноструктур интересной для использования в качестве металлических изоляторов и полупроводников. полевые транзисторы,[6] с дальнейшими приложениями в качестве наноэлектронных запоминающих устройств,[7] в флэш-память, логические устройства а также химические и биологические сенсоры.[3][8]

Способность к литий ионы в вставлять в кремниевые структуры превращает различные Si наноструктуры представляет интерес для приложений как аноды в Литий-ионные аккумуляторы (LiB). SiNW имеют особое достоинство в качестве таких анодов, поскольку они демонстрируют способность подвергаться значительному литированию при сохранении структурной целостности и электрической связи.[9]

Кремниевые нанопровода эффективны термоэлектрические генераторы потому что они сочетают в себе высокую электропроводность, обусловленную объемными свойствами легированного Si, с низкой теплопроводностью из-за малого поперечного сечения.[10]

Синтез

Для SiNW известно несколько методов синтеза, и их можно в широком смысле разделить на методы, которые начинаются с объемного кремния и удаляют материал с получением нанопроволок, также известный как нисходящий синтез, и методы, которые используют химический или паровой прекурсор для создания нанопроволок в процессе. обычно считается восходящим синтезом.[3]

Методы нисходящего синтеза

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

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

Методы восходящего синтеза

  • Пар жидкий твердый (VLS) рост - разновидность катализируемого ССЗ часто используя силан в качестве прекурсора Si и наночастиц золота в качестве катализатора (или «затравки»).[3]
  • Молекулярно-лучевая эпитаксия - форма PVD применяется в плазменной среде[12]
  • Осаждение из раствора - вариант метода VLS, удачно названный сверхкритическим жидким твердым телом (SFLS), который использует сверхкритическая жидкость (например, органосилан при высокой температуре и давлении) в качестве прекурсора Si вместо пара. Катализатор может быть коллоидом в растворе, например коллоидное золото наночастиц, и КНН выращиваются в этом растворе[12][14]

Термическое окисление

После физической или химической обработки, нисходящей или восходящей, для получения исходных кремниевых наноструктур, часто применяются этапы термического окисления, чтобы получить материалы желаемого размера и соотношение сторон. Кремниевые нанопроволоки демонстрируют отчетливую и полезную самоограничивающуюся окисление поведение, при котором окисление эффективно прекращается из-за распространение ограничения, которые можно смоделировать.[1] Это явление позволяет точно контролировать размеры и соотношение сторон в КНН и используется для получения КНН с высоким соотношением сторон и диаметром менее 5 нм.[15] Самоограничивающееся окисление SiNW имеет значение для материалов литий-ионных аккумуляторов.

Ориентация нанопроволок

Ориентация SiNW оказывает сильное влияние на структурные и электронные свойства систем.[16] По этой причине было предложено несколько процедур для выравнивания нанопроволок в выбранных ориентациях. Это включает использование электрических полей при выравнивании полярности, электрофорез, зеркально-жидкостные методы и контактная печать.

Outlook

К SiNW проявляется значительный интерес 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 диапазоне исследуемых приложений. Совместные исследования методов синтеза, кинетики окисления и свойств систем КНН направлены на преодоление существующих ограничений и облегчение реализации систем КНН, например, высококачественные КНН, выращенные из пара, жидкости и твердого тела, с гладкой поверхностью могут быть обратимо растянуты на 10%. или более упругая деформация, приближающаяся к теоретическому пределу упругости кремния, что может открыть двери для появляющейся «инженерии упругой деформации» и гибкой био- / наноэлектроники.[17]

Рекомендации

  1. ^ а б c 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.
  2. ^ Йи, Цуй; Чарльз М., Либер (2001). «Функциональные наноразмерные электронные устройства, собранные с использованием строительных блоков из кремниевых нанопроволок». Наука. 291 (5505): 851–853. Bibcode:2001Наука ... 291..851C. Дои:10.1126 / наука.291.5505.851. PMID  11157160.
  3. ^ а б c d е Миколаджик, Томас; Хайнциг, Андре; Троммер, Йенс; и другие. (2013). «Кремниевые нанопровода - универсальная технологическая платформа». Physica Status Solidi RRL. 7 (10): 793–799. Bibcode:2013ПССРР ... 7..793М. Дои:10.1002 / pssr.201307247.
  4. ^ Tsakalakos, L .; Balch, J .; Fronheiser, J .; Кореваар, Б. (2007). "Солнечные элементы на основе кремниевых нанопроволок". Письма по прикладной физике. 91 (23): 233117. Bibcode:2007АпФЛ..91в3117Т. Дои:10.1063/1.2821113.
  5. ^ Ю, Пэн; Ву, Цзян; Лю, Шентинг; Сюн, Цзе; Джагадиш, Ченнупати; Ван, Чжиминг М. (01.12.2016). «Разработка и изготовление кремниевых нанопроволок для создания эффективных солнечных элементов» (PDF). Нано сегодня. 11 (6): 704–737. Дои:10.1016 / j.nantod.2016.10.001.
  6. ^ Цуй, Йи; Чжун, Чжаохуэй; Ванга, Дели; Wang, Wayne U .; Либер, Чарльз М. (2003). "Высокопроизводительные полевые транзисторы на основе кремниевых нанопроводов". Нано буквы. 3 (2): 149–152. Bibcode:2003NanoL ... 3..149C. Дои:10.1021 / nl025875l.
  7. ^ Тиан, Божи; Сяолинь, Чжэн; и другие. (2007). «Коаксиальные кремниевые нанопроволоки как солнечные элементы и источники питания наноэлектроники». Природа. 449 (7164): 885–889. Bibcode:2007Натура 449..885Т. Дои:10.1038 / природа06181. PMID  17943126. S2CID  2688078.
  8. ^ Дэниел, Шир; и другие. (2006). «Окисление кремниевых нанопроволок». Журнал вакуумной науки и технологий. 24 (3): 1333–1336. Bibcode:2006JVSTB..24.1333S. Дои:10.1116/1.2198847.
  9. ^ Chan, C .; Peng, H .; и другие. (2008). «Высокопроизводительные аноды литиевых батарей с использованием кремниевых нанопроволок». Природа Нанотехнологии. 3 (1): 31–35. Bibcode:2008НатНа ... 3 ... 31С. Дои:10.1038 / nnano.2007.411. PMID  18654447.
  10. ^ Чжань, Тяньчжуо; Ямато, Ре; Хашимото, Сюичиро; Томита, Мотохиро; Оба, Сюнсуке; Химеда, Юя; Месаки, Кохеи; Такэдзава, Хироки; Йокогава, Ре; Сюй Ибинь; Мацукава, Такаши; Огура, Ацуши; Камакура, Ёсинари; Ватанабэ, Таканобу (2018). «Миниатюрный планарный микротермоэлектрический генератор на основе Si-нанопроволоки, использующий выделяемое тепловое поле для выработки электроэнергии». Наука и технология перспективных материалов. 19 (1): 443–453. Bibcode:2018STAdM..19..443Z. Дои:10.1080/14686996.2018.1460177. ЧВК  5974757. PMID  29868148.
  11. ^ Хуанг, З .; Fang, H .; Чжу, Дж. (2007). «Изготовление массивов кремниевых нанопроволок с контролируемым диаметром, длиной и плотностью». Современные материалы. 19 (5): 744–748. Дои:10.1002 / adma.200600892.
  12. ^ а б c Shao, M .; Duo Duo Ma, D .; Ли, СТ (2010). «Кремниевые нанопроволоки - синтез, свойства и применение». Европейский журнал неорганической химии. 2010 (27): 4264–4278. Дои:10.1002 / ejic.201000634.
  13. ^ Хуанг, Чжипэн; Гейер, Надин; Вернер, Питер; Бур, Йоханнес де; Гезеле, Ульрих (2011). "Химическое травление кремния с помощью металла: обзор". Современные материалы. 23 (2): 285–308. Дои:10.1002 / adma.201001784. ISSN  1521-4095. PMID  20859941.
  14. ^ Холмс, Дж .; Keith, P .; Johnston, R .; Доти, К. (2000). «Контроль толщины и ориентации кремниевых нанопроволок, выращенных из раствора». Наука. 287 (5457): 1471–1473. Bibcode:2000Sci ... 287.1471H. Дои:10.1126 / science.287.5457.1471. PMID  10688792.
  15. ^ Liu, H.I .; Biegelsen, D.K .; Ponce, F.A .; Johnson, N.M .; Пиз, Р.Ф.У. (1994). «Саморегулирующееся окисление для изготовления кремниевых нанопроволок размером менее 5 нм». Письма по прикладной физике. 64 (11): 1383. Bibcode:1994АпФЛ..64.1383Л. Дои:10.1063/1.111914.
  16. ^ Justo, J.F .; Menezes, R.D .; Ассали, L.V.C. (2007). «Стабильность и пластичность кремниевых нанопроволок: роль периметра проволоки». Phys. Ред. B. 75 (4): 045303. arXiv:1307.3274. Bibcode:2007PhRvB..75d5303J. Дои:10.1103 / PhysRevB.75.045303. S2CID  118448214.
  17. ^ Zhang, H .; Tersoff, J .; Xu, S .; 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.