南京大學余林蔚、徐駿教授課題組Nano Letters封面報道：3D納米螺旋生長集成及NEMS器件應用

【引言】

硅基三維納米螺旋（3D?nanohelices）結構是開發新一代手性光學、柔性機電和生物傳感應用的基礎共性構架單元，但卻難以通過傳統的光刻工藝批量制備。雖然傳統自組裝生長方法可制備出各種隨機取向的納米螺旋，其尺寸調控精確性、空間排列一致性以及形貌定制可控性都遠達不到器件集成的需求。

【成果簡介】

南京大學電子學院余林蔚、徐駿教授課題組基于自主創新的平面IPSLS納米線生長技術，將平面納米線的精準引導生長成功拓展到三維空間調控和集成。通過金屬液滴誘導，在覆蓋非晶硅前驅體的“竹狀”立柱表面，連續盤旋生長（spiral?growth）出直徑、間距和縱寬比精確可控的納米線螺旋“盤龍柱”結構。其中柱狀支撐結構可以通過前期氧化處理而被選擇性刻蝕，從而釋放出排列規則的納米線三維納米彈簧陣列，并成功應用于展示各種超可拉伸連接、三維復合結構支撐和電驅動NEMS諧振器件等新型應用。值得指出的是，在盤旋上升或下降的納米線生長過程中，柱狀表面的平行引導溝道（sidewall grooves）發揮了至關重要的作用：正是在其引導下，金屬催化液滴首先進行規則地水平盤旋生長，在繞柱一周吸收完本層非晶前驅體后，自動換行生長（line-feeding growth）進入下一層引導溝道，從而保證能夠一次性生長出連續的納米線螺旋結構。

【圖文導讀】

圖1：在“竹狀”立柱表面上的晶硅納米線連續自換行盤旋生長及其NEMS諧振器件結構

圖2：金屬液滴與柱面引導溝道尺寸匹配條件，及優化后多層連續生長“盤龍柱”結構的穩定性驗證

圖3：中心支撐完全或部分刻蝕釋放后的納米螺旋彈簧陣列結構

圖4：基于站立納米線螺旋結構實現的立體“彈簧-球負載”復合結構，及其可拉伸特性測試；單個納米螺旋三維結構在電學驅動下實現的三種不同振蕩本征模式，及其對應的形變模擬示意圖

【總結】

在這個工作中，作者利用深硅刻蝕工藝，制備側壁具有波紋狀結構的柱陣列，結合IPSLS納米線生長技術，利用側壁波紋狀結構引導催化金屬液滴自動跨越側壁溝道運動，制備了三維納米線螺旋結構。并且通過選擇性刻蝕去除中心柱，實現了納米線螺旋結構的釋放，獲得自支撐納米線彈簧結構。釋放后的三維納米線螺旋結構，可以在外加交流電場驅動下，實現機械振動。利用這種制備方法，可以精確控制納米線彈簧結構的形貌，并能夠精確定位納米線彈簧的位置，為此類結構的集成和實際應用，提供了一種可靠的技術方案。

Cylindrical line-feeding growth of free-standing silicon nanohelices as elastic springs and resonators. Nano Lett, 2020.?DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01265

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01265

本文由南京大學電子學院余林蔚、徐駿教授課題組供稿。