Кремниевая нанопроволока - Silicon nanowire

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.

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 в нанометровом масштабе, собираемой без необходимости в сложных и дорогостоящих производственных мощностях. SiNW часто изучаются с точки зрения приложений, включая фотоэлектрические , нанопроволочные батареи , термоэлектричество и энергонезависимую память.

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.

КНН демонстрируют поведение захвата заряда, что делает такие системы ценными в приложениях, требующих разделения электронных дырок, таких как фотовольтаика и фотокатализаторы. 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.

Характеристики захвата заряда и настраиваемые транспортные свойства SiNW, регулируемые поверхностью, делают эту категорию наноструктур интересной для использования в качестве металлических изоляторов, полупроводников и полевых транзисторов с дальнейшим применением в качестве наноэлектронных запоминающих устройств, флэш-памяти , логических устройств, а также химических и биологических датчиков. .

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.

Кремниевые нанопроволоки являются эффективными термоэлектрическими генераторами, поскольку они сочетают в себе высокую электропроводность, обусловленную объемными свойствами легированного Si, с низкой теплопроводностью из-за малого поперечного сечения.

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.

Методы нисходящего синтеза

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

  • Лазерная абляция
  • Ионно-лучевое травление
  • Рост с помощью оксидов термического испарения (OAG)
  • Химическое травление с использованием металла (MaCE)

Методы восходящего синтеза

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. Это явление позволяет точно управлять размерами и соотношением сторон в КНН и используется для получения КНН с высоким соотношением сторон и диаметром менее 5 нм. Самоограничивающееся окисление SiNW имеет значение для материалов литий-ионных аккумуляторов.

Ориентация нанопроволок

Ориентация SiNW оказывает сильное влияние на структурные и электронные свойства систем. 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.

использованная литература

  1. ^ 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 .
  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 : 2001Sci ... 291..851C . DOI : 10.1126 / science.291.5505.851 . PMID  11157160 .
  3. ^ a b c d e 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 .
  4. ^ 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 .
  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. DOI : 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 . DOI : 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 : 2007Natur.449..885T . DOI : 10,1038 / природа06181 . PMID  17943126 . S2CID  2688078 .
  8. ^ Даниэль, 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 .
  9. ^ Чан, 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 .
  10. ^ Чжань, Тяньчжуо; Ямато, Ре; Хашимото, Шуичиро; 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 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ a b c 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 .
  13. ^ 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 .
  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 . DOI : 10.1126 / science.287.5457.1471 . PMID  10688792 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ Чжан, 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 .