南京大學Nature子刊：通過液滴介導的P-R轉變制造島鏈硅納米線

【引語】

由于表面吉布斯自由能的緣故，從熱學的角度看一維納米線是不穩定的。如果高效的質量遷移（mass migration）能夠實現，納米線就會發生大尺度的直徑變化或者分散成獨立的球體。如果這一形貌演變能夠在可控的情形下發生，那么能夠為設計通過硅納米線（SiNW）通道進行電子、光子以及聲子傳輸提供了一個有效的方法。

【成果簡介】

我們知道，尺寸均一的硅納米線在制備過程中需要經歷一個高溫（>1000 °C）球狀化（spheroidization）過程。直到最近，研究人員才能夠利用Plateau-Rayleigh（P-R）晶體生長來解釋硅納米線側壁的島-殼生長（island-shell growth）。然而，這種P-R不穩定轉變在遠低于硅熔點（1414 °C）的低溫條件下是及其低效的。要想在低溫以及可控的條件下實現晶體硅（c-Si）的P-R轉變需要從納米尺度的移動生長角度開發新策略。

近日，南京大學的徐駿教授、余林蔚教授等在期刊Nature Communication上發表文章，報道了在面內（in-plane）硅納米線生長中實現大規模P-R自我轉變（self-transformation）。利用低熔點的錫（Sn）催化劑液滴吸收作為前驅體的非晶硅為介導，大型界面作用能夠使得催化劑液滴拉長變形，從而刺激周期性P-R轉變/振蕩，并最終使得直硅納米線在小于350 °C的低溫下形塑成連續或分離的島鏈狀（island-chains）硅納米顆粒。這種獨特的形貌制備離不開精確的自我定位能力，這些能力的相結合規模器件的發展是非常有利的。

【圖文導讀】

圖1：制備過程與形貌轉變示意圖

（a-c）展示了氫氣等離子體催化劑的形成、氫化非晶a-Si:H層涂覆以及Sn催化的硅納米線退火生長步驟；

（d）為a-Si:H層涂覆后的Sn催化劑液滴的SEM圖像；

（e）Sn液滴初始生長的原位SEM圖像；

（f）Sn播種條帶上生長的面內硅納米；

（g-i）直硅納米線形塑成連續或分離的島鏈狀（island-chains）硅納米線結構。

圖2：自由生長的島鏈狀納米線的形貌和統計學表征

(a) Sn帶邊緣的單條島鏈狀硅納米線的放大觀察圖像；

(b) 納米尺度遷移生長系統中的關鍵維度參數；

(c) 不同厚度非晶a-Si:H層的島鏈狀硅納米線的寬度調制圖。

圖3：引導生長的島鏈狀納米線的形貌和統計學表征

(a) 引導生長島鏈狀納米線的SEM圖像；

(b) 島鏈狀納米線的長寬統計學數據；

(c) Sn帶邊緣島鏈狀納米線在生長過程中的形貌演變；

(d) 圖c中連續島鏈部分的放大圖像。

圖4：島鏈狀納米線的結構分析

在圖4中，研究人員利用高分辨透射電鏡對島鏈狀納米線進行了結構分析，并確認了納米線高度的結晶度。此外，通過圖e中心電子衍射花樣分析，島鏈狀納米線的生長是沿著硅[111]方向進行的。

圖5：生長平衡點演變及面內生長振蕩

(a) Sn液滴的拉伸；

(b) 生長點附近的振蕩。

圖6：連續或分離島鏈狀納米線的形成

(a)?? Sn液滴的P-R不穩定性導致了島鏈幾何學的產生；

(b)?? 連續或分離島鏈狀納米線的尺寸統計；

(c) 分離硅點結構的典型SEM圖像。

【小結】

該篇文章報道了一維硅納米線獨特的P-R形貌設計。這一研究成果表明，納米尺度的遷移行為有能力開發新型的形貌，為精致復雜的功能器件的制備提供了一個簡單有效的思路。

文獻鏈接：Engineering island-chain silicon nanowires via a droplet mediated Plateau-Rayleigh transformation（Nat. Commun.，2016，DOI: 10.1038/ncomms12836）

該文獻匯總由材料人編輯部學術組John-chern供稿，材料牛編輯整理。

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