Nanodrut krzemowy

Nanoprzewody krzemowe , określane również jako SiNW , są rodzajem nanoprzewodów półprzewodnikowych najczęściej tworzonych z prekursora krzemu przez trawienie ciała stałego lub poprzez katalizowany wzrost z fazy gazowej lub ciekłej. Takie nanoprzewody mają obiecujące zastosowania w bateriach litowo-jonowych, termoelektrykach i czujnikach . Początkowej syntezie SiNW często towarzyszą utleniania termicznego w celu uzyskania struktur o dokładnie dopasowanym rozmiarze i morfologii.

SiNW mają unikalne właściwości, których nie widać w masowych (trójwymiarowych) materiałach krzemowych. Właściwości te wynikają z niezwykłej quasi-jednowymiarowej struktury elektronicznej i są przedmiotem badań w wielu dyscyplinach i zastosowaniach. Powodem, dla którego SiNW są uważane za jeden z najważniejszych materiałów jednowymiarowych, jest to, że mogą pełnić funkcję elementów składowych elektroniki w nanoskali, montowanych bez potrzeby stosowania skomplikowanych i kosztownych urządzeń produkcyjnych. SiNW są często badane pod kątem zastosowań, w tym fotowoltaiki , baterii nanoprzewodów , termoelektryki i pamięci nieulotnej.

Aplikacje

Dzięki swoim unikalnym właściwościom fizycznym i chemicznym nanodruty krzemowe są obiecującym kandydatem do szerokiego zakresu zastosowań, które wykorzystują ich unikalne właściwości fizyko-chemiczne, które różnią się od właściwości masowego materiału krzemowego.

SiNW wykazują zachowanie polegające na pułapkowaniu ładunku, co czyni takie systemy wartościowymi w zastosowaniach wymagających separacji dziur elektronowych, takich jak fotowoltaika i fotokatalizatory. Niedawny eksperyment na nanodrutowych ogniwach słonecznych doprowadził do niezwykłej poprawy wydajności konwersji energii ogniw słonecznych SiNW z <1% do >17% w ciągu ostatnich kilku lat.

Zachowanie pułapki ładunkowej i właściwości transportowe SiNW regulowane powierzchniowo sprawiają, że ta kategoria nanostruktur jest interesująca do zastosowania jako półprzewodniki izolujące metalowe i tranzystory polowe , z dalszymi zastosowaniami jako nanoelektroniczne urządzenia pamięci masowej, w pamięci flash , urządzeniach logicznych , a także czujniki chemiczne i biologiczne .

Zdolność jonów litu do interkalacji w struktury krzemowe sprawia, że ​​różne nanostruktury Si są interesujące w zastosowaniach jako anody w bateriach litowo-jonowych (LiB) . SiNW mają szczególne zalety jako takie anody, ponieważ wykazują zdolność do znacznego litowania przy jednoczesnym zachowaniu integralności strukturalnej i łączności elektrycznej.

Nanoprzewody krzemowe są wydajnymi generatorami termoelektrycznymi , ponieważ łączą wysoką przewodność elektryczną, dzięki właściwościom masowym domieszkowanego Si, z niską przewodnością cieplną wynikającą z małego przekroju.

Synteza

Znanych jest kilka metod syntezy SiNW, które można ogólnie podzielić na metody, które rozpoczynają się od masowego krzemu i usuwają materiał w celu uzyskania nanodrutów, znanych również jako synteza odgórna, oraz metody, które wykorzystują prekursor chemiczny lub oparowy do budowy nanoprzewodów w procesie powszechnie uważa się za syntezę oddolną.

Metody syntezy odgórnej

Metody te wykorzystują techniki usuwania materiału do wytwarzania nanostruktur z prekursora masowego

  • Ablacja wiązką laserową
  • Trawienie wiązką jonów
  • Wzrost wspomagany tlenkiem przez odparowanie termiczne (OAG)
  • Wytrawianie chemiczne wspomagane metalem (MaCE)

Metody syntezy oddolnej

  • oparów cieczy stałych (VLS) - rodzaj katalizowanego CVD , często wykorzystujący silan jako prekursor Si i nanocząsteczki złota jako katalizator (lub „ziarno”).
  • Epitaksja z wiązki molekularnej – forma PVD stosowana w środowisku plazmy
  • Strącanie z roztworu – odmiana metody VLS, trafnie nazwana płynem nadkrytycznym ciekłym ciałem stałym (SFLS), która wykorzystuje płyn nadkrytyczny (np. organosilan w wysokiej temperaturze i ciśnieniu) jako prekursor Si zamiast pary. Katalizatorem byłby koloid w roztworze, taki jak złota koloidalnego , a SiNW są hodowane w tym roztworze

Utlenianie termiczne

Po obróbce fizycznej lub chemicznej, od góry do dołu lub od dołu, w celu uzyskania początkowych nanostruktur krzemu, często stosuje się etapy utleniania termicznego w celu uzyskania materiałów o pożądanym rozmiarze i współczynniku kształtu . Nanodruty krzemowe wykazują wyraźne i użyteczne, samoograniczające się utleniające , dzięki czemu utlenianie skutecznie ustaje z powodu dyfuzji ograniczenia, które można modelować. Zjawisko to umożliwia dokładną kontrolę wymiarów i współczynników kształtu w SiNW i zostało wykorzystane do uzyskania SiNW o wysokim współczynniku kształtu o średnicach poniżej 5 nm. Samoograniczające się utlenianie SiNW ma znaczenie dla materiałów akumulatorów litowo-jonowych.

Orientacja nanodrutów

Orientacja SiNW ma głęboki wpływ na strukturalne i elektroniczne właściwości systemów. Z tego powodu zaproponowano kilka procedur ustawiania nanodrutów w wybranych orientacjach. Obejmuje to wykorzystanie pól elektrycznych w wyrównaniu biegunów, elektroforezie , metodach mircofluidycznych i drukowaniu kontaktowym.

Perspektywy

Istnieje duże zainteresowanie SiNW ze względu na ich unikalne właściwości oraz możliwość kontrolowania rozmiaru i proporcji z dużą dokładnością. Jak dotąd ograniczenia w produkcji na dużą skalę utrudniają wykorzystanie tego materiału w pełnym zakresie badanych zastosowań. Połączone badania metod syntezy, kinetyki utleniania i właściwości systemów SiNW mają na celu przezwyciężenie obecnych ograniczeń i ułatwienie wdrażania systemów SiNW, na przykład wysokiej jakości SiNW wyhodowane w fazie para-ciecz-ciało stałe o gładkich powierzchniach można odwracalnie rozciągać o 10% lub bardziej elastyczne odkształcenie, zbliżające się do teoretycznej granicy sprężystości krzemu, co może otworzyć drzwi dla powstającej „inżynierii odkształceń sprężystych” i elastycznej bio-/nanoelektroniki.

  1. ^ abc Liu , M .; Peng, J.; i in. (2016). „ Dwuwymiarowe modelowanie samoograniczającego się utleniania w nanodrutach krzemowych i wolframowych ” . Listy z mechaniki teoretycznej i stosowanej . 6 (5): 195–199. ar Xiv : 1911.08908 . doi : 10.1016/j.taml.2016.08.002 .
  2. Bibliografia   _ Charles M., Lieber (2001). „Funkcjonalne urządzenia elektroniczne w nanoskali zmontowane przy użyciu bloków konstrukcyjnych z nanoprzewodów krzemowych” . nauka . 291 (5505): 851–853. Bibcode : 2001Sci...291..851C . doi : 10.1126/science.291.5505.851 . PMID 11157160 .
  3. ^ a b c d e Mikołajick, Thomas; Heinzig, Andrzej; Trommer, Jens; i in. (2013). „Nanoprzewody krzemowe - wszechstronna platforma technologiczna”. Physica Status Solidi RRL . 7 (10): 793–799. Bibcode : 2013PSSRR...7..793M . doi : 10.1002/pssr.201307247 .
  4. Bibliografia _ Balch, J.; Fronheiser, J.; Korevaar, B. (2007). „Ogniwa słoneczne z nanoprzewodów krzemowych”. Listy z fizyki stosowanej . 91 (23): 233117. Bibcode : 2007ApPhL..91w3117T . doi : 10.1063/1.2821113 .
  5. Bibliografia _ Wu, Jiang; Liu, Shenting; Xiong, Jie; Jagadish, Chennupati; Wang, Zhiming M. (2016-12-01). „Projektowanie i wytwarzanie nanoprzewodów krzemowych w kierunku wydajnych ogniw słonecznych” (PDF) . Nano dzisiaj . 11 (6): 704–737. doi : 10.1016/j.nantod.2016.10.001 .
  6. Bibliografia _ Zhong, Zhaohui; Wang, delikatesy; Wang, Wayne U.; Lieber, Charles M. (2003). „Wysokowydajne tranzystory polowe z nanoprzewodów krzemowych” . Nano litery . 3 (2): 149–152. Bibcode : 2003NanoL...3..149C . doi : 10.1021/nl025875l .
  7. Bibliografia    _ Xiaolin, Zheng; i in. (2007). „Koncentryczne nanoprzewody krzemowe jako ogniwa słoneczne i nanoelektroniczne źródła zasilania”. Natura . 449 (7164): 885–889. Bibcode : 2007Natur.449..885T . doi : 10.1038/natura06181 . PMID 17943126 . S2CID 2688078 .
  8. ^ Daniel, Szir; i in. (2006). „Utlenianie nanoprzewodów krzemowych”. Journal of Vacuum Science & Technology . 24 (3): 1333–1336. Bibcode : 2006JVSTB..24.1333S . doi : 10.1116/1.2198847 .
  9. Bibliografia   _ Peng, H.; i in. (2008). „Wysokowydajne anody do akumulatorów litowych wykorzystujące nanoprzewody krzemowe”. Natura Nanotechnologia . 3 (1): 31–35. Bibcode : 2008NatNa...3...31C . doi : 10.1038/nnano.2007.411 . PMID 18654447 .
  10. ^ Zhan, Tianzhuo; Yamato, Ryo; Hashimoto, Shuichiro; Tomita, Motohiro; Oba, Shunsuke; Himeda, Yuya; Mesaki, Kohei; Takezawa, Hiroki; Yokogawa, Ryo; Xu, Yibin; Matsukawa, Takashi; Ogura, Atsushi; Kamakura, Yoshinari; Watanabe, Takanobu (2018). „Zminiaturyzowany planarny generator mikrotermoelektryczny z nanoprzewodu Si wykorzystujący wydzielane pole termiczne do wytwarzania energii” . Nauka i technologia zaawansowanych materiałów . 19 (1): 443–453. Bibcode : 2018STAdM..19..443Z . doi : 10.1080/14686996.2018.1460177 . PKW    5974757 . PMID 29868148 .
  11. Bibliografia _ Fang, H.; Zhu, J. (2007). „Wytwarzanie macierzy nanoprzewodów krzemowych o kontrolowanej średnicy, długości i gęstości”. Zaawansowane materiały . 19 (5): 744–748. doi : 10.1002/adma.200600892 .
  12. ^ a b c Shao, M .; Duo Duo Ma, D.; Lee, ST (2010). „Nanodruty krzemowe - synteza, właściwości i zastosowania”. Europejski Dziennik Chemii Nieorganicznej . 2010 (27): 4264–4278. doi : 10.1002/ejic.201000634 .
  13. Bibliografia    _ Geyer, Nadine; Werner, Piotr; Boor, Johannes de; Gösele, Ulrich (2011). „Chemiczne trawienie krzemu wspomagane metalem: przegląd”. Zaawansowane materiały . 23 (2): 285–308. doi : 10.1002/adma.201001784 . ISSN 1521-4095 . PMID 20859941 .
  14. Bibliografia   _ Keith, P.; Johnston, R.; Doty, C. (2000). „Kontrola grubości i orientacji nanoprzewodów krzemowych hodowanych w roztworze”. nauka . 287 (5457): 1471–1473. Bibcode : 2000Sci...287.1471H . doi : 10.1126/science.287.5457.1471 . PMID 10688792 .
  15. ^ Liu, cześć; Biegelsen, Dania; Ponce, FA; Johnson, Nowy Meksyk; Pease, RFW (1994). „Samoograniczające utlenianie do wytwarzania nanoprzewodów krzemowych poniżej 5 nm”. Listy z fizyki stosowanej . 64 (11): 1383. Bibcode : 1994ApPhL..64.1383L . doi : 10.1063/1.111914 .
  16. Bibliografia   _ Menezes, RD; Assali, LVC (2007). „Stabilność i plastyczność nanoprzewodów krzemowych: rola obwodu drutu”. fizyka ks. B. 75 (4): 045303. arXiv : 1307.3274 . Bibcode : 2007PhRvB..75d5303J . doi : 10.1103/PhysRevB.75.045303 . S2CID 118448214 .
  17. Bibliografia    _ Tersoff, J.; Xu, S.; i in. (2016). „Zbliżanie się do idealnej granicy odkształcenia sprężystego w nanoprzewodach krzemowych” . Postępy nauki . 2 (8): e1501382. Bibcode : 2016SciA....2E1382Z . doi : 10.1126/sciadv.1501382 . PMC 4988777 . PMID 27540586 .
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Silicon_nanowire&oldid=1064797579 ”