Кремниевые нанопроволоки , также называемые КНН , представляют собой тип полупроводниковых нанопроволок, которые чаще всего образуются из прекурсора кремния путем травления твердого тела или путем катализируемого роста из паровой или жидкой фазы. Такие нанопроволоки имеют многообещающее применение в литий-ионных батареях, термоэлектриках и сенсорах . Первоначальный синтез SiNW часто сопровождается стадиями термического окисления для получения 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 рассматриваются как один из наиболее важных одномерных материалов, заключается в том, что они могут выполнять функцию строительных блоков для электроники в нанометровом масштабе, собираемой без необходимости в сложных и дорогостоящих производственных мощностях. [2] SiNW часто изучаются с точки зрения приложений, включая фотоэлектрические , нанопроволочные батареи , термоэлектричество и энергонезависимую 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 нанопроволоки привел к значительному повышению эффективности преобразования энергии солнечных элементов из SiNW с <1% до> 17% за последние несколько лет. [5]
Заряд захват поведение и перестраиваемые поверхности регулируются свойства транспорта SiNWs делают эту категорию наноструктура интереса к использованию в качестве металла - диэлектрик - полупроводников и полевых транзисторов , [6] с дальнейшим применением в качестве устройств наноэлектронных хранений, [7] в флэше - памяти , логические устройства , как а также химические и биологические сенсоры. [3] [8]
Способность ионов лития внедряться в кремниевые структуры делает различные наноструктуры Si интересными для применения в качестве анодов в литий-ионных батареях (LiB) . SiNW особенно важны в качестве таких анодов, поскольку они демонстрируют способность подвергаться значительному литированию, сохраняя при этом структурную целостность и электрическую связь. [9]
Кремниевые нанопровода являются эффективными термоэлектрическими генераторами, поскольку они сочетают в себе высокую электропроводность, обусловленную объемными свойствами легированного Si, с низкой теплопроводностью из-за малого поперечного сечения. [10]
Синтез
Известно несколько методов синтеза SiNW, и их можно в целом 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.
- Абляция лазерным лучом [3]
- Ионно-лучевое травление [11]
- Рост с использованием оксидов термическим испарением (OAG) [12]
- Химическое травление с использованием металла (MaCE) [13]
Методы восходящего синтеза
- Рост из паров и жидких твердых частиц (VLS) - тип катализируемого химического осаждения из паровой фазы, часто с использованием силана в качестве прекурсора Si и наночастиц золота в качестве катализатора (или «затравки»). [3]
- Молекулярно-лучевая эпитаксия - форма PVD, применяемая в плазменной среде [12]
- Осаждение из раствора - разновидность метода VLS, удачно названного сверхкритическим флюид-жидким твердым телом (SFLS), в котором в качестве прекурсора Si вместо пара используется сверхкритический флюид (например, органосилан при высокой температуре и давлении). Катализатором может быть коллоид в растворе, такой как наночастицы коллоидного золота , и КНН выращиваются в этом растворе [12] [14]
Термическое окисление
После физической или химической обработки, направленной сверху вниз или снизу вверх, для получения исходных кремниевых наноструктур часто применяются этапы термического окисления для получения материалов с желаемыми размерами и соотношением сторон . Кремниевые нанопроволоки демонстрируют отличные и полезные свойства самоограничивающегося окисления, при которых окисление эффективно прекращается из-за диффузионных ограничений, 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 КНН 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 для выравнивания полярностей, электрофореза , микрожидкостных методов и контактной печати.
Перспективы
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. Комбинированные 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
- ^ a b 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. DOI : 10.1016 / j.taml.2016.08.002 .
- ^ Йи, Цуй; Чарльз М., Либер (2001). «Функциональные наноразмерные электронные устройства, собранные с использованием строительных блоков из кремниевых нанопроволок». Наука . 291 (5505): 851–853. Bibcode : 2001Sci ... 291..851C . DOI : 10.1126 / science.291.5505.851 . PMID 11157160 .
- ^ а б в г д Миколаджик, Томас; Хайнциг, Андре; Троммер, Йенс; и другие. (2013). «Кремниевые нанопроволоки - универсальная технологическая платформа». Physica Status Solidi RRL . 7 (10): 793–799. Bibcode : 2013PSSRR ... 7..793M . DOI : 10.1002 / pssr.201307247 .
- ^ Tsakalakos, L .; Balch, J .; Fronheiser, J .; Кореваар, Б. (2007). «Солнечные элементы из кремниевых нанопроволок». Письма по прикладной физике . 91 (23): 233117. Bibcode : 2007ApPhL..91w3117T . DOI : 10.1063 / 1.2821113 .
- ^ 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. DOI : 10.1016 / j.nantod.2016.10.001 .
- ^ 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 . DOI : 10.1021 / nl025875l .
- ^ Тиан, Божи; Сяолинь, Чжэн; и другие. (2007). «Коаксиальные кремниевые нанопроволоки как солнечные элементы и источники питания наноэлектроники». Природа . 449 (7164): 885–889. Bibcode : 2007Natur.449..885T . DOI : 10,1038 / природа06181 . PMID 17943126 . S2CID 2688078 .
- ^ Дэниел, Шир; и другие. (2006). «Окисление кремниевых нанопроволок». Журнал вакуумной науки и технологий . 24 (3): 1333–1336. Bibcode : 2006JVSTB..24.1333S . DOI : 10.1116 / 1.2198847 .
- ^ Chan, C .; Peng, H .; и другие. (2008). «Высокопроизводительные аноды литиевых батарей с использованием кремниевых нанопроволок». Природа Нанотехнологии . 3 (1): 31–35. Bibcode : 2008NatNa ... 3 ... 31C . DOI : 10.1038 / nnano.2007.411 . PMID 18654447 .
- ^ 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 . DOI : 10.1080 / 14686996.2018.1460177 . PMC 5974757 . PMID 29868148 .
- ^ Хуанг, З .; Fang, H .; Чжу, Дж. (2007). «Изготовление массивов кремниевых нанопроволок с контролируемым диаметром, длиной и плотностью». Современные материалы . 19 (5): 744–748. DOI : 10.1002 / adma.200600892 .
- ^ а б в Shao, M .; Duo Duo Ma, D .; Ли, СТ (2010). «Кремниевые нанопроволоки - синтез, свойства и применение». Европейский журнал неорганической химии . 2010 (27): 4264–4278. DOI : 10.1002 / ejic.201000634 .
- ^ Хуанг, Чжипэн; Гейер, Надин; Вернер, Питер; Бур, Йоханнес де; Гезеле, Ульрих (2011). "Металлическое химическое травление кремния: обзор". Современные материалы . 23 (2): 285–308. DOI : 10.1002 / adma.201001784 . ISSN 1521-4095 . PMID 20859941 .
- ^ 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 . DOI : 10.1126 / science.287.5457.1471 . PMID 10688792 .
- ^ Лю, привет; Biegelsen, DK; Понсе, Ф.А.; Джонсон, Нью-Мексико; Пиз, RFW (1994). «Саморегулирующееся окисление для изготовления кремниевых нанопроволок размером менее 5 нм». Письма по прикладной физике . 64 (11): 1383. Bibcode : 1994ApPhL..64.1383L . DOI : 10.1063 / 1.111914 .
- ^ Хусто, JF; Menezes, RD; Ассали, LVC (2007). «Стабильность и пластичность кремниевых нанопроволок: роль периметра проволоки». Phys. Rev. B . 75 (4): 045303. arXiv : 1307.3274 . Bibcode : 2007PhRvB..75d5303J . DOI : 10.1103 / PhysRevB.75.045303 . S2CID 118448214 .
- ^ Zhang, H .; Tersoff, J .; Xu, S .; и другие. (2016). «Приближение к идеальному пределу упругой деформации в кремниевых нанопроводах» . Наука продвигается . 2 (8): e1501382. Bibcode : 2016SciA .... 2E1382Z . DOI : 10.1126 / sciadv.1501382 . PMC 4988777 . PMID 27540586 .