Adv. Mater.：2D Si納米片的“一氣呵成”技術

【引言】

硅作為現代電子/光電和光伏行業的基礎材料，已經被廣泛研究了幾十年。與塊狀Si相比，Si納米材料由于其獨特的尺寸效應和表面化學特性表現出了許多迥異的電學、力學、光學、熱電和電化學性質，被廣泛應用于各大領域，包括光伏電池、光電子器件、藥物傳輸系統、傳感器、熱電學和鋰離子電池等。過去的二十年里，在低維硅納米結構的合成方面已經取得了很大的進步。利用磁控濺射、化學氣相沉積（CVD）、離子注入和化學刻蝕方法，已成功制備了零維的硅材料（包括硅納米粒子和量子點）、一維硅材料（包括納米線、納米管和納米棒）和三維硅材料（包括多孔硅）。然而超薄厚度（小于5 nm）的二維硅的合成依舊是一個巨大的挑戰。CVD作為一種成熟的二維材料生長方法，雖然可以用于制備厚度可控的硅納米片（SiNSs），但是加工條件苛刻，成本較高。另一個很好的制備方法是在低溫（<273 K）下用HCl水溶液處理CaSi₂。CaSi₂是具有的2D Si層填充的Zintl相硅化物，可用于合成超薄SiNSs。另一方面，二維硅納米片已經被預言有許多有趣的物理特性。理論計算表明SiNSs具有非凡的電子和光電子性質，在室溫下，其光致發光（PL）特性與材料厚度相關。此外，外部應變或電場可以將SiNSs調諧成直接帶隙半導體，提高其在光伏應用和光催化方面的應用。

【成果簡介】

近日，清華大學伍暉副教授、李曉雁副教授、李群仰副教授和布朗大學的高華健教授在Adv. Mater.上發表了一篇題為“Scalable Synthesis of 2D Si Nanosheets”的文章。本研究報道了一種室溫下SiNSs的一步合成技術，使厚度約為4 nm （SiNSs）硅納米片可以大規模、低成本的生產，這類SiNSs橫向尺寸只有幾微米。理論建模與原子仿真模擬結果表明，單一SiNSs的形成是脫鋰過程中SiNSs自然分層的結果。隨后，合成的硅納米片經過不同溫度下的退火，形成納米晶或者SiNSs晶體。這些SiNSs具有獨特的力學性能，特別是具備超低的摩擦系數，這與其塊狀材料大不相同。

【圖文導讀】

圖1 .層狀Si顆粒和a-SiNSs的合成與表征

a) a-SiNSs的合成途徑示意圖；

b) 通過蝕刻Li₁₃Si₄獲得的層狀Si顆粒的SEM圖像；插圖：分散于乙醇中的a-SiNSs。

c-f ）通過蝕刻Li₁₃Si₄獲得的層狀Si顆粒的SEM圖像。

g）a-SiNSs的TEM圖像，插圖：相應的選區電子衍射花樣。

h）a-SiNSs的AFM表征圖像。

刻度棒：b）10μm，c，e）1μm，d，f）200nm，g）100nm。

圖2 .層狀a-Si結構形成的理論建模和原子模擬

a) c-Li₁₃Si₄基底脫鋰形成a-Si膜的分層示意圖；

b) c-L_i13Si₄的初始原子配位，紅色和藍色球體分別代表Li和Si原子；

c) 脫鋰期間的中間狀態；

d) 完全脫鋰后，上部的最終原子配置；

e) a-Si膜的RDF；

f) a-Si膜中雙軸原子應力（σxx+σzz）/ 2的等值線圖；

g) 具有界面裂紋條帶的初始原子構型；

h) 基于CZVE方法的界面牽引分離MD數據和平滑曲線；

i) 在不同應變下，沿著界面的裂紋擴展的一系列快照。

圖3.層狀硅顆粒和SiNSs的表征

a) 部分結晶的層狀Si顆粒的SEM圖像；

b) 結晶層狀Si顆粒的SEM圖像；

c) 分層Si顆粒的XRD圖，Si（JCPDS卡號為27-1402）的峰被標記；

d) a-SiNSs，nc-SiNSs和c-SiNSs的拉曼光譜；

e，f）nc-SiNSs和c-SiNSs的AFM表征圖像；

刻度棒：a）1μm，b）2μm。

圖4.nc-SiNSs和c-SiNSs的TEM圖像

a, b) nc-SiNSs的TEM和STEM圖像，插圖：相應的選區電子衍射花樣；

c, d, e) c-SiNSs的STEM圖像和STEM圖像，及相應的選區電子衍射花樣;

f) 晶體Si的化學結構圖;

比例尺：a）100nm，b）2nm，c）200nm，e）1nm。

圖5. a-SiNSs和c-SiNSs的超低摩擦特性

a) a-SiNSs的表面地形表征圖像（左圖）和橫向摩擦力（右圖）；

b) c-SiNSs的表面地形表征圖像（左圖）和橫向摩擦力（右圖）；

c) a-SiNSs、c-SiNSs和塊狀Si的摩擦力與正常載荷曲線的比較。

【小結】

在本文中，研究人員提出了一種全新的2D Si納米片可擴展合成技術，使厚度約為4 nm （SiNSs）硅納米片可以大規模、低成本的生產。這將極大促進2D Si納米片在光伏電池、光電子器件、藥物傳輸系統、傳感器、熱電學和鋰離子電池等領域方面的應用。

文獻鏈接：Scalable Synthesis of 2D Si Nanosheets（Adv. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adma.201701777 ）

本文由材料人編輯部新人組趙曉彤編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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