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.

  • Лазерная абляция [3]
  • Ионно-лучевое травление [15]
  • Рост с помощью термического испарения оксида (OAG) [16]
  • Химическое травление с использованием металла (MaCE) [17]

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 веществ». 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 кремниевых нанопроволочных массивов». Biosens. Bioelectron . 91 (15): 482-488. doi :10.1016/j.bios.2016.12.07 (неактивен 2024-11-05). PMID  28073028.{{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. 
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Кремниевая_нанопроволока&oldid=1269843133"