納米材料前沿研究成果精選【第7期】-硅納米線

硅納米線(silicon nanowires，SiNWs)作為一維納米材料的典型代表，除具有半導體所具有的特殊性質，還顯示出不同于體硅材料的場發射、熱導率及可見光致發光等物理性質，在納米電子器件、光電子器件以及新能源等方面具有巨大的潛在應用價值。更重要的是， SiNWs 與現有硅技術具有極好的兼容性進而具有極大的市場應用潛力；因此，SiNWs 是一維納米材料領域中一種極有應用潛力的新材料。

1、ACS Nano: 硅納米線用于單分子腺苷三磷酸酶水解動力學的研究

F1-ATPase(F1)是一種雙向分子馬達，幾乎可以水解所有的ATPs，從而為細胞過程提供能量。通過對標記F1的光學觀察揭示了ATP結/ADP釋放和ATP水解/Pi釋放的連續機械旋轉步驟。這些子步驟起源于F1的旋轉，但由于熒光標記和光學顯微鏡的限制，在γ軸上負載較重，阻礙了對ATP水解動力學行為的進一步研究。近日，來自北京大學的郭雪峰教授和北京師范大學的齊傳民教授(共同通訊作者)等人報道了一種能夠通過使用基于高增益硅納米線的場效應晶體管電路來實時電監測單個無標記F1的ATP水解的方法。與標記的F1相比，本研究中非標記F1的水解速率提高了1個數量級，表明納米線在直接探測單分子或是單一事件敏感性的生物活性動力學過程中有著良好的應用。

文獻鏈接： Direct Measurement of Single-Molecule Adenosine Triphosphatase Hydrolysis Dynamics (ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b07639）

2、Nano Letters: 熱氧化法在硅鍺納米線上制備原子態突變軸向異質結

界面的組成陡度是決定IV族半導體異質結(Si/Ge或Si/SiGe)納米線器件性能的重要因素之一。然而，由于在Au共晶液體催化劑中Si和Ge的高溶解度使得在切換氣相成分之后的異質結處逐漸發生組成的變化，所以在納米線陡峭的界面處使用常見的氣-液-固(VLS)法不再可行。近日，來自臺灣大學的溫政彥教授（通訊作者）等人報道了在SiGe納米線上改變AuSiGe低共熔液中成分的新方法。作者通過在700℃下的熱氧化來改變其成分。在氧化過程中，只有Si在共晶液體表面上被氧化，同時共晶液體中的Ge/Si比率增加。隨后在液/固界面沉淀的SiGe具有較高的Ge濃度(?20％)，并且在納米線中產生組成突變的界面。

文獻鏈接：Producing Atomically Abrupt Axial Heterojunctions in Silicon–Germanium Nanowires by Thermal Oxidation (Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03420）

3、Sensors and Actuators B: Chemical: p型Si納米線陣列高性能氫傳感特性和傳感機制研究

Pd納米結構作為高性能傳感裝置中的H2氣體傳感器得到了學者們廣泛關注，最新基于Pd 納米線(NW)的H2氣體傳感器已經在靈敏度，檢測極限以及空氣中的響應/恢復時間方面表現出優異的氣體傳感性能。近日，來自韓國延世大學的Wooyoung Lee (通訊作者)等人報道了使用Pd涂層的n型和p型Si NW陣列以及相應的傳感機制。新型p型Si NW陣列顯示出極高的H2靈敏度。這是由于在接觸H2前， Pd和n-Si之間形成肖特基勢壘，接觸H2后變為歐姆接觸。相反，在接觸于H2之前，Pd和p-Si之間形成歐姆接觸，在接觸后形成肖特基勢壘。因此，p型Si NW陣列比n型Si NW陣列對H2敏感得多。

文獻鏈接: High-performance hydrogen sensing properties and sensing mechanism in Pd-coated p-type Si nanowire arrays(Sensors and Actuators B: Chemical , 2017, DOI: 10.1016/j.snb.2017.10.109）

4、Chemistry of Materials：膠體硅鍺納米棒異質結構

近日，來自美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Brian A. Korgel 和西班牙加泰羅尼亞納米科學和納米技術研究所的Jordi Arbiol (共同通訊作者)等人報道了一種新型硅鍺納米棒。作者通過溶液-液體-固體(SLS)生長，使用Sn作為種子金屬以及三硅烷和二苯基鍺作為Si和Ge的反應物來制備具有軸向Si Ge異質結段的膠體納米棒。Si和Ge在Sn中的低溶解度有助于產生突變的Si-Ge異質結界面。此外，作者還使用透射電子顯微鏡(TEM)和電子能量損失譜(EELS)對納米棒異質結的結構和組成進行了詳細研究。

文獻鏈接：Colloidal Silicon-Germanium Nanorod Heterostructures (Chem Mater, 2017, DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b03868）

5、Nano Letters：具有介電和金屬光柵結構的硅納米線光伏器件的光吸收性能

近日，來自韓國高麗大學的Hong-Gyu Park、慶熙大學的Sun-Kyung Kim和美國北卡羅來納大學教堂山分校的James F. Cahoon (共同通訊作者)等人報道了一種用一維介質或金屬光柵來制造Si納米線光伏器件新方法。所用的一維介質或金屬光柵是通過無損的，精確對準的聚合物輔助轉移方法制造而成。與Si納米線結合的Si3N4光柵有效地增強了橫向電偏振光的光電流，產生最大光電流的波長很容易通過改變光柵間距來調整。此外，作者使用相同的轉移方法來演示具有Ag光柵的Si納米線光伏器件。測量結果表明，與沒有Ag光柵的器件相比，光吸收增加大約27.1％，而電學性質沒有任何的退化。

文獻鏈接：Enhancement of Light Absorption in Silicon Nanowire Photovoltaic Devices with Dielectric and Metallic Grating Structures (Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03891）

6、Nanoscale：一維Si納米結構的研究

一維(1D)納米結構因其新穎的電子性質以及優異的功能性而受到科學家們的廣泛關注。然而由于它們的納米級尺寸，嵌入環境對其性能有著至關重要的影響。近日，來自美國橡樹嶺國家實驗室的Paul C. Snijders (通訊作者)等人報道了一種新型一維Si的納米結構。作者通過掃描隧道顯微鏡和光譜學，掃描透射電子顯微鏡，密度泛函理論和導電原子力顯微鏡研究了它們的形成過程和性質性能。研究表明，根據生長過程中的動力學約束，可以將它們制備成完全嵌入結晶Si中的內軸一維 Si納米結構，未來在納米器件的應用中有著良好前景。

文獻鏈接: Homo-endotaxial one-dimensional Si nanostructures (Nanoscale, 2017, DOI: 10.1039/C7NR06968E)

7、Nano Letters：外延生長SiGe納米線的非平面拉伸應變

近日，來自美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Emanuel Tutuc (通訊作者)等人報道了對Si_xGe_1-x-Si核-殼納米線異質結構的生長和特性研究。作者通過單個納米線獲得的拉曼光譜揭示了Si_xGe_1-x核的Si-Si，Si-Ge和Ge-Ge模。研究結果表明，硅殼中獲得了高達2.3％的拉伸應變，由于陽極核-殼導帶偏移，會產生量子限域效應。Si_xGe_1-x-Si核-殼納米線作為n型金屬氧化物半導體場效應晶體管，與使用Si納米線的控制器件相比，平均電子遷移率提高了40％。

文獻鏈接：Enhanced Electron Mobility in Nonplanar Tensile Strained Si Epitaxially Grown on SixGe1–x Nanowires (Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03450）

8、Nano Letters：基于分子嵌入納米線的多色譜特定硅納米探測器

基于硅的光電探測器無法區分不同的波長,因此，這些檢測器在顏色特定的濾光器上需繼續進行顏色分離。彩色濾光片增加了彩色敏感器件制造的復雜性，并阻礙了這種器件的小型化。近日，來自以色列特拉維夫大學的Fernando Patolsky和以色列理工學院的Yuval E. Yaish (共同通訊作者)等人報道了一種超小型紅-綠-藍-紫濾波器的光譜門控場效應晶體管(SGFET)檢測器。這些光電探測器基于有機硅納米線混合FET器件，能夠檢測到半高峰100nm以下的特定可見波長譜。此外，暫停的SGFET可以作為非易失性存儲器元件，與快速松弛的表面SGFET不同，它可以在環境條件下存儲離散的“開”（RGBV照明）和“關”(紫外照明)狀態幾天。這些高度緊湊，光譜控制的納米器件有可能用于未來的各種新型光電器件。

文獻鏈接：Multicolor Spectral-Specific Silicon Nanodetectors based on Molecularly Embedded Nanowires (Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03873）

本文總結了硅納米線相關領域的最新研究進展。硅納米線合成和性能表征的研究很多，發現了硅納米線有很多優異性能，取得了很大的成果，對于其在光電領域的應用發揮了巨大的作用。然而硅納米線的形成機制還不完善，當前的制備還停留在研究階段。硅納米線的各種性能，尤其是在極小尺寸下表現出的性能有待于進一步研究。此外，硅納米線各種特性的相互關系也是未來表征技術研究的方向之一。硅納米線作為未來納米電器件的基材，其制備技術、組裝技術和表征技術等應用領域將得到不斷的拓展。

本文由材料人編輯部納米學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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