清華大學硅溶解的尺寸效應及其機制打開瞬態電子器件壽命調控新思路

【前言】

瞬態電子器件是近幾年備受關注的一類新型電子器件，此類器件能夠在生理溶液或者自然環境水溶液中部分或完全降解，這完全顛覆了人們對傳統電子器件穩定、持久等特點的固有認識。通過采用先進的加工工藝，瞬態電子器件的性能可與傳統電子器件相媲美，并可對傳統器件功能進行補充，將應用范圍擴展到可降解醫療器件、環保以及電子安全器件等前沿領域。

硅作為傳統電子器件中一種重要的半導體材料，具有電學性能穩定的特點，近期研究表明硅薄膜具有良好的生物相容性，可以在仿生溶液中發生降解，且其降解速率受溫度、pH值和溶液中離子種類等的影響，因此，硅薄膜在壽命可調的植入式瞬態電子器件領域扮演著非常重要的角色。

圖1?p型硅和n型硅表面離子狀態示意圖

【成果簡介】

近日，清華大學材料學院尹斕助理教授團隊系統的研究了生物體系中所包含化學物質（濃度和pH接近生理環境）對不同尺寸薄膜單晶硅溶解速率的影響，研究結果發現，在生理環境條件下，p型薄膜單晶硅的溶解均具有與傳統認知相反的尺寸效應，即溶解速率隨著單晶硅尺寸的增加而增大。此外，研究還發現，機械攪拌會導致尺寸效應消失。

圖2 尺寸、機械攪拌、離子種類和摻雜度分別對p型或n型薄膜硅溶解速率的影響

為了深入理解上述實驗現象，通過采用Zeta電位測試儀對Zeta電位的分析、采用掃描電化學工作站對薄膜硅表面氯離子濃度分布的分析和采用分子動力學模型對具有不同帶電密度硅表面離子分布的計算發現， 功函數相對較高的p型硅在緩沖溶液中（半導體-電解質接觸）由于費米能級向下彎曲導致其表面于趨于帶負電，這導致了大量陽離子（鈉離子或鉀離子）在靜電力作用下被吸附的尺寸效應，從而引起雙電層內陰離子（磷酸根離子和氯離子）富集的尺寸效應，而陰離子的親核攻擊又對硅的溶解具有催化作用，因此陰離子富集的尺寸效應是導致P型硅溶解尺寸效應的主要原因。

圖3 分子動力學模擬結果及硅的溶解機制示意圖

相反的，n型薄膜單晶硅在生理環境條件下的溶解未呈現出明顯尺寸效應，且機械攪拌會導致溶解速率增加。Zeta電位的結果證明了功函數相對較低的n型硅在緩沖溶液中由于費米能級向上彎曲造成其表面帶正電，而分子動力學的計算結果表明離子在表面帶正電的硅表面沒有明顯的富集效應，因此不同尺寸的n型硅溶解速率沒有明顯的差異。

此外，通過對陽離子和陰離子分別對硅溶解速率的影響研究，發現當陰離子濃度和種類相同的條件下，與鈉離子相比，鉀離子離子會加速硅溶解過程；而當陰離子濃度和種類相同的情況下，磷酸根離子較氯離子對硅溶解速率的促進作用更強。然而，摻雜濃度的增加則會大大降低硅的溶解速率。在此基礎上，通過對幾何形狀的設計，實現了對體內信號探測用薄膜硅電極壽命的調控，為體內植入式瞬態電子器件的壽命調控開辟了新途徑。

圖4?幾何形狀對體內信號探測薄膜硅電極壽命的影響

該工作由清華大學材料學院尹斕課題組主導完成，相關研究成果以Geometrical and Chemical-Dependent Hydrolysis Mechanisms of Silicon Nanomembranes for Biodegradable Electronics 為題發表在ACS Applied?Materials & Interfaces上。尹斕助理教授和美國尼吉亞大學（University of Virginia）機械與航空航天學院Baoxing Xu助理教授為共同通訊作者，清華大學材料學院博士后王柳和弗尼吉亞大學機械與航空航天學院博士生Yuan Gao為共同第一作者，合作者包括清華大學材料學院本科生戴凡淇、博士生孔德穎、博士生孫鵬程和電子系副教授盛興、博士生王華春、博士生史釗等。本工作獲得了中組部青年千人計劃、國家自然科學基金和博士后面上基金等的經費支持。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.9b03546

本文由清華大學材料學院尹斕課題組供稿。

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