Nano. Lett.：單晶硅納米線確實可以長到厘米長度！

【引言】

硅納米線作為一類重要的一維納米材料，在納米器件方向具有很好的應用前景，特別是在柔性可穿戴式傳感器方面，實現醫療監護的快速、準確檢測。硅納米線的比表面積大，對外界環境變化敏感，利用電阻變化制成的傳感器具有響應速度快、準確度高、選擇性好、使用壽命較長等優勢，在生物化學傳感器領域具有明顯的應用前景。直徑在納米尺度，長度為微米以上尺度的超長硅納米線具有獨特的機械性能、光學性能以及電學性能，實現長度超過厘米級且直徑可控的硅納米線的制備，不僅對揭示納米尺度新科學和新機理具有理論意義，同時也是對實現高性能傳感器大規模應用和快速準確的醫療監護具有現實意義。

【成果簡介】

近日，中科院理化所/蘇州大學張曉宏研究員、中科院理化所王輝、蘇州大學李述湯院士（共同通訊作者）等人基于蒸汽-液體-固體（VLS）生長的方法，以SiO為硅源，錫棒為催化劑，采用溫度梯度輔助生長的方式制備了厘米尺度的一維單晶硅納米線。同時將制備的單晶硅納米線制成可穿戴式應變傳感器檢測人體關節活動，結果表明制備的傳感器具有良好的靈活性、較高的靈敏度以及優良的復現性。相關成果以題為“Centimeter-Long Single-Crystalline Si Nanowires”發表在了Nano Letters上。

【圖文導讀】

圖1. 硅納米線生長機理示意圖

（a）硅納米線的溫度梯度輔助生長示意圖。SCO為surface curvature oscillations縮寫，表示為表面曲率振蕩。

（b）一次表面曲率振蕩循環示意圖。此過程包含三個階段，分別是（1）頂端液滴的蒸發，導致固液界面膨脹，這是速度最慢的一步；（2）源蒸汽的快速吸附，導致液滴尺寸增大；（3）快速沉降階段，導致納米線的縱向生長。

圖2. 超長單晶硅納米線的合成與表征

（a）合成單晶硅納米線裝置示意圖。單晶硅納米線的合成以SiO粉末為硅源，錫棒為催化劑，管式爐提供相應的反應溫度，圖為管式爐的爐管裝置示意圖。

（b）30個超長硅納米線的長度統計結果。結果表明30個單晶硅納米線樣品的平均長度為1.45 ± 0.06 cm，生長速度為330 μm/min。

（c）超長硅納米線的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像。結果表明合成的硅納米線為單晶硅，并且沿著(110)晶面延伸。

（d）HF處理硅納米線后直徑和處理位置在500-900 nm范圍內具有較好的線性關系。

圖3. 單晶硅納米線不同生長階段TEM圖

（a）（b）（c）為單晶硅納米線生長過程中不同時期的TEM圖片，結果表明厘米范圍的硅納米線在生長過程中有明顯的直徑變化以及連續的晶體結構，但是沒有出現明顯的面缺陷和生長方向的改變。

圖4. 單個超長硅納米線圖片

（a）單個1.4 cm長的硅納米線的集成光學顯微鏡圖片。當硅納米線的長度達到厘米尺度，可通過裸眼觀察硅納米線。

（b）三種不同模式下單個超長硅納米線的集成光學顯微鏡圖片。硅納米線有足夠的長度和柔韌性，可通過鑷子將硅納米線制備成不同的形狀。

（c）超長硅納米線的曲率半徑。硅納米線有非常小的曲率半徑，如直徑為413 nm的納米線，其曲率半徑僅為約30 μm。

圖5 單晶硅納米線用于可穿戴式應變傳感器檢測人體關節活動

（a）單晶硅納米線可穿戴式應力傳感器檢測人體手指關節運動的電流響應結果。

（b）可穿戴式應力傳感器的光學照片。

（c）電阻和應變的相對變化結果。

（d）單晶硅納米線可穿戴式應力傳感器在不同拉力下的響應。誤差棒表示標準偏差。

（c）和（d）實驗結果表明單晶硅納米線可穿戴式應力傳感器對檢測人體手指關節運動具有良好的靈活性和較高的靈敏度。

（e）單晶硅納米線可穿戴式應力傳感器在0.35% 拉伸應變條件下的重復循環性能。重復100次之后傳感器依然具有良好的響應結果，結果表明傳感器具有良好的復現性。

【小結】

本研究利用溫度梯度輔助生長的方式制備了厘米尺度的一維單晶硅納米線，制備過程中SiO為硅源，錫棒為催化劑，管式爐提供相應的溫度，制備的硅納米線長度為平均長度為1.45 ± 0.06 cm，生長速度為330 μm/min。對制備的硅納米線進行TEM表征，結果表明超長硅納米線為單晶硅，并且沿著(110)晶面延伸，具有連續的晶體結構，沒有明顯的面缺陷以及生長方向的該變。將制備的單晶硅納米線制成可穿戴式應變傳感器檢測人體手指關節活動，結果表明制備的傳感器具有良好的靈活性、較高的靈敏度以及優良的重復利用性能。

文獻鏈接：Centimeter-Long Single-Crystalline Si Nanowires（Nano. Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02967）

本文由材料人編輯部新人組楊傳璽編輯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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