Křemíkový nanodrát - Silicon nanowire - Wikipedia

Křemíkové nanodráty, označovaný také jako SiNWs, jsou typem polovodiče nanodrát nejčastěji se tvoří z a křemík prekurzor leptáním pevné látky nebo katalyzovaným růstem z plynné nebo kapalné fáze. Takové nanodráty mají slibné použití v lithium-iontových bateriích, termoelektrika a senzory. Počáteční syntéza SiNW je často doprovázena tepelná oxidace kroky k získání struktur přesně přizpůsobené velikosti a morfologie.[1]

SiNW mají jedinečné vlastnosti, které nejsou vidět u objemných (trojrozměrných) křemíkových materiálů. Tyto vlastnosti vyplývají z neobvyklé kvazi jednorozměrné elektronické struktury a jsou předmětem výzkumu napříč mnoha disciplínami a aplikacemi. Důvodem, proč jsou SiNW považovány za jeden z nejdůležitějších jednorozměrných materiálů, je to, že by mohly fungovat jako stavební bloky pro elektroniku v nanoměřítku sestavené bez nutnosti složitých a nákladných výrobních zařízení.[2] SiNW jsou často studovány směrem k aplikacím včetně fotovoltaika, nanodrátové baterie, termoelektrika a energeticky nezávislá paměť.[3]

Aplikace

Díky svým jedinečným fyzikálním a chemickým vlastnostem jsou křemíkové nanodráty slibným kandidátem pro širokou škálu aplikací, které čerpají z jejich jedinečných fyzikálně-chemických vlastností, které se liší od vlastností sypkého silikonového materiálu.[1]

SiNW vykazují chování zachycování náboje, které činí takové systémy hodnotnými v aplikacích vyžadujících oddělení elektronových děr, jako je fotovoltaika a fotokatalyzátory.[4] Nedávný experiment na solárních článcích nanodrátů vedl v posledních několika letech k pozoruhodnému zlepšení účinnosti přeměny energie solárních článků SiNW z <1% na> 17%.[5]

Chování při zachycování náboje a laditelné povrchově řízené transportní vlastnosti SiNW činí tuto kategorii nanostruktur zajímavou pro použití jako polovodiče kovových izolátorů a tranzistory s efektem pole,[6] s dalšími aplikacemi jako nanoelektronická paměťová zařízení,[7] v flash paměť, logická zařízení stejně jako chemické a biologické senzory.[3][8]

Schopnost pro lithium ionty na interkalát do křemíkových struktur vykresluje různé Si nanostruktury zájmu o aplikace jako anody v Li-ion baterie (LiBs). SiNWs mají zvláštní zásluhy jako takové anody, protože vykazují schopnost podstoupit významnou lithiaci při zachování strukturální integrity a elektrické konektivity.[9]

Křemíkové nanodráty jsou účinné termoelektrické generátory protože kombinují vysokou elektrickou vodivost kvůli objemovým vlastnostem dopovaného Si a nízkou tepelnou vodivost kvůli malému průřezu.[10]

Syntéza

Pro SiNW je známo několik metod syntézy, které lze obecně rozdělit na metody, které začínají objemovým křemíkem a odstraňují materiál za vzniku nanodrátů, známé také jako syntéza shora dolů, a metody, které používají chemický nebo parní prekurzor k vytváření nanodrátů v procesu obecně považována za syntézu zdola nahoru.[3]

Metody syntézy shora dolů

Tyto metody používají techniky odstraňování materiálu k výrobě nanostruktur z hromadného prekurzoru

Metody syntézy zdola nahoru

Tepelná oxidace

Po fyzikálním nebo chemickém zpracování, shora dolů nebo zdola nahoru, aby se získaly počáteční křemíkové nanostruktury, se často používají kroky tepelné oxidace, aby se získaly materiály s požadovanou velikostí a poměr stran. Křemíkové nanodráty vykazují zřetelné a užitečné samoregulační oxidace chování, při kterém oxidace účinně končí kvůli difúze omezení, která lze modelovat.[1] Tento jev umožňuje přesnou kontrolu rozměrů a poměrů stran v SiNW a byl použit k získání SiNW s vysokým poměrem stran s průměry pod 5 nm.[15] Samoregulační oxidace SiNW má hodnotu pro materiály lithium-iontových baterií.

Orientace nanodrátů

Orientace SiNW má zásadní vliv na strukturní a elektronické vlastnosti systémů.[16] Z tohoto důvodu bylo navrženo několik postupů pro zarovnání nanodrátů ve vybraných orientacích. To zahrnuje použití elektrických polí v polárním vyrovnání, elektroforéza, mirkofluidní metody a kontaktní tisk.

Výhled

O SiNW je značný zájem pro jejich jedinečné vlastnosti a schopnost řídit velikost a poměr stran s velkou přesností. Omezení ve velkém měřítku dosud brání absorpci tohoto materiálu v celém rozsahu zkoumaných aplikací. Kombinované studie metod syntézy, kinetiky oxidace a vlastností systémů SiNW mají za cíl překonat současná omezení a usnadnit implementaci systémů SiNW, například vysoce kvalitní SiNW pěstované v páře-kapalině-pevné látce s hladkými povrchy lze reverzibilně protáhnout o 10% nebo pružnější deformace, blížící se teoretické meze pružnosti křemíku, což by mohlo otevřít dveře pro vznikající „elastické deformační inženýrství“ a flexibilní bio- / nanoelektroniku.[17]

Reference

  1. ^ A b C Liu, M .; Peng, J .; et al. (2016). "Dvourozměrné modelování samoregulační oxidace v křemíkových a wolframových nanodrátech". Dopisy z teoretické a aplikované mechaniky. 6 (5): 195–199. doi:10.1016 / j.taml.2016.08.002.
  2. ^ Yi, Cui; Charles M., Lieber (2001). "Funkční elektronická zařízení v nanoměřítku sestavená pomocí stavebních bloků z křemíkových nanodrátů". Věda. 291 (5505): 851–853. Bibcode:2001Sci ... 291..851C. doi:10.1126 / science.291.5505.851. PMID  11157160.
  3. ^ A b C d E Mikolajick, Thomas; Heinzig, Andre; Trommer, Jens; et al. (2013). „Křemíkové nanodráty - univerzální technologická platforma“. Physica Status Solidi RRL. 7 (10): 793–799. Bibcode:2013PSSRR ... 7..793M. doi:10.1002 / pssr.201307247.
  4. ^ Tsakalakos, L .; Balch, J .; Fronheiser, J .; Korevaar, B. (2007). "Solární články z křemíkových nanodrátů". Aplikovaná fyzikální písmena. 91 (23): 233117. Bibcode:2007ApPhL..91w3117T. doi:10.1063/1.2821113.
  5. ^ Yu, Peng; Wu, Jiang; Liu, Shenting; Xiong, Jie; Jagadish, Chennupati; Wang, Zhiming M. (2016-12-01). „Návrh a výroba křemíkových nanodrátů směrem k účinným solárním článkům“ (PDF). Nano dnes. 11 (6): 704–737. doi:10.1016 / j.nantod.2016.10.001.
  6. ^ Cui, Yi; Zhong, Zhaohui; Wang, Deli; Wang, Wayne U .; Lieber, Charles M. (2003). "Vysoce výkonné polní tranzistory s křemíkovým nanodrátem". Nano dopisy. 3 (2): 149–152. Bibcode:2003 NanoL ... 3..149C. doi:10.1021 / nl025875l.
  7. ^ Tian, ​​Bozhi; Xiaolin, Zheng; et al. (2007). "Koaxiální křemíkové nanodráty jako solární články a nanoelektronické zdroje energie". Příroda. 449 (7164): 885–889. Bibcode:2007Natur.449..885T. doi:10.1038 / nature06181. PMID  17943126. S2CID  2688078.
  8. ^ Daniel, Shir; et al. (2006). "Oxidace křemíkových nanodrátů". Journal of Vacuum Science & Technology. 24 (3): 1333–1336. Bibcode:2006JVSTB..24.1333S. doi:10.1116/1.2198847.
  9. ^ Chan, C .; Peng, H .; et al. (2008). "Vysoce výkonné anody lithiové baterie využívající křemíkové nanodráty". Přírodní nanotechnologie. 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). „Miniaturizovaný planární mikro-termoelektrický generátor Si-nanodrátů využívající k výrobě energie vyzařované tepelné pole“. Věda a technologie pokročilých materiálů. 19 (1): 443–453. Bibcode:2018STAdM..19..443Z. doi:10.1080/14686996.2018.1460177. PMC  5974757. PMID  29868148.
  11. ^ Huang, Z .; Fang, H .; Zhu, J. (2007). "Výroba křemíkových nanodrátových polí s řízeným průměrem, délkou a hustotou". Pokročilé materiály. 19 (5): 744–748. doi:10.1002 / adma.200600892.
  12. ^ A b C Shao, M .; Duo Duo Ma, D .; Lee, ST (2010). "Křemíkové nanodráty - syntéza, vlastnosti a aplikace". European Journal of Anorganic Chemistry. 2010 (27): 4264–4278. doi:10.1002 / ejic.201000634.
  13. ^ Huang, Zhipeng; Geyer, Nadine; Werner, Peter; Boor, Johannes de; Gösele, Ulrich (2011). „Chemické leptání křemíku za pomoci kovu: recenze“. Pokročilé materiály. 23 (2): 285–308. doi:10,1002 / adma.201001784. ISSN  1521-4095. PMID  20859941.
  14. ^ Holmes, J .; Keith, P .; Johnston, R .; Doty, C. (2000). "Kontrola tloušťky a orientace křemíkových nanodrátů pěstovaných v roztoku". Věda. 287 (5457): 1471–1473. Bibcode:2000Sci ... 287.1471H. doi:10.1126 / science.287.5457.1471. PMID  10688792.
  15. ^ Liu, H.I .; Biegelsen, D.K .; Ponce, F.A.; Johnson, N.M .; Pease, R.F.W. (1994). "Samoregulační oxidace pro výrobu křemíkových nanodrátů pod 5 nm". Aplikovaná fyzikální písmena. 64 (11): 1383. Bibcode:1994ApPhL..64.1383L. doi:10.1063/1.111914.
  16. ^ Justo, J.F .; Menezes, R.D .; Assali, L.V.C. (2007). "Stabilita a plasticita křemíkových nanodrátů: role obvodu drátu". Phys. Rev. B. 75 (4): 045303. arXiv:1307.3274. Bibcode:2007PhRvB..75d5303J. doi:10.1103 / PhysRevB.75.045303. S2CID  118448214.
  17. ^ Zhang, H .; Tersoff, J .; Xu, S .; et al. (2016). „Blíží se hranice ideálního elastického přetvoření v křemíkových nanodrátech. Vědecké zálohy. 2 (8): e1501382. Bibcode:2016SciA .... 2E1382Z. doi:10.1126 / sciadv.1501382. PMC  4988777. PMID  27540586.