纳米材料前沿研究成果精选【第7期】-硅纳米线

硅纳米线(silicon nanowires，SiNWs)作为一维纳米材料的典型代表，除具有半导体所具有的特殊性质，还显示出不同于体硅材料的场发射、热导率及可见光致发光等物理性质，在纳米电子器件、光电子器件以及新能源等方面具有巨大的潜在应用价值。更重要的是， SiNWs 与现有硅技术具有极好的兼容性进而具有极大的市场应用潜力；因此，SiNWs 是一维纳米材料领域中一种极有应用潜力的新材料。

1、ACS Nano: 硅纳米线用于单分子腺苷三磷酸酶水解动力学的研究

F1-ATPase(F1)是一种双向分子马达，几乎可以水解所有的ATPs，从而为细胞过程提供能量。通过对标记F1的光学观察揭示了ATP结/ADP释放和ATP水解/Pi释放的连续机械旋转步骤。这些子步骤起源于F1的旋转，但由于荧光标记和光学显微镜的限制，在γ轴上负载较重，阻碍了对ATP水解动力学行为的进一步研究。近日，来自北京大学的郭雪峰教授和北京师范大学的齐传民教授(共同通讯作者)等人报道了一种能够通过使用基于高增益硅纳米线的场效应晶体管电路来实时电监测单个无标记F1的ATP水解的方法。与标记的F1相比，本研究中非标记F1的水解速率提高了1个数量级，表明纳米线在直接探测单分子或是单一事件敏感性的生物活性动力学过程中有着良好的应用。

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

2、Nano Letters: 热氧化法在硅锗纳米线上制备原子态突变轴向异质结

界面的组成陡度是决定IV族半导体异质结(Si/Ge或Si/SiGe)纳米线器件性能的重要因素之一。然而，由于在Au共晶液体催化剂中Si和Ge的高溶解度使得在切换气相成分之后的异质结处逐渐发生组成的变化，所以在纳米线陡峭的界面处使用常见的气-液-固(VLS)法不再可行。近日，来自台湾大学的温政彦教授（通讯作者）等人报道了在SiGe纳米线上改变AuSiGe低共熔液中成分的新方法。作者通过在700℃下的热氧化来改变其成分。在氧化过程中，只有Si在共晶液体表面上被氧化，同时共晶液体中的Ge/Si比率增加。随后在液/固界面沉淀的SiGe具有较高的Ge浓度(〜20％)，并且在纳米线中产生组成突变的界面。

文献链接：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纳米线阵列高性能氢传感特性和传感机制研究

Pd纳米结构作为高性能传感装置中的H2气体传感器得到了学者们广泛关注，最新基于Pd 纳米线(NW)的H2气体传感器已经在灵敏度，检测极限以及空气中的响应/恢复时间方面表现出优异的气体传感性能。近日，来自韩国延世大学的Wooyoung Lee (通讯作者)等人报道了使用Pd涂层的n型和p型Si NW阵列以及相应的传感机制。新型p型Si NW阵列显示出极高的H2灵敏度。这是由于在接触H2前， Pd和n-Si之间形成肖特基势垒，接触H2后变为欧姆接触。相反，在接触于H2之前，Pd和p-Si之间形成欧姆接触，在接触后形成肖特基势垒。因此，p型Si NW阵列比n型Si NW阵列对H2敏感得多。

文献链接: 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：胶体硅锗纳米棒异质结构

近日，来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Brian A. Korgel 和西班牙加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所的Jordi Arbiol (共同通讯作者)等人报道了一种新型硅锗纳米棒。作者通过溶液-液体-固体(SLS)生长，使用Sn作为种子金属以及三硅烷和二苯基锗作为Si和Ge的反应物来制备具有轴向Si Ge异质结段的胶体纳米棒。Si和Ge在Sn中的低溶解度有助于产生突变的Si-Ge异质结界面。此外，作者还使用透射电子显微镜(TEM)和电子能量损失谱(EELS)对纳米棒异质结的结构和组成进行了详细研究。

文献链接：Colloidal Silicon-Germanium Nanorod Heterostructures (Chem Mater, 2017, DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b03868）

5、Nano Letters：具有介电和金属光栅结构的硅纳米线光伏器件的光吸收性能

近日，来自韩国高丽大学的Hong-Gyu Park、庆熙大学的Sun-Kyung Kim和美国北卡罗来纳大学教堂山分校的James F. Cahoon (共同通讯作者)等人报道了一种用一维介质或金属光栅来制造Si纳米线光伏器件新方法。所用的一维介质或金属光栅是通过无损的，精确对准的聚合物辅助转移方法制造而成。与Si纳米线结合的Si3N4光栅有效地增强了横向电偏振光的光电流，产生最大光电流的波长很容易通过改变光栅间距来调整。此外，作者使用相同的转移方法来演示具有Ag光栅的Si纳米线光伏器件。测量结果表明，与没有Ag光栅的器件相比，光吸收增加大约27.1％，而电学性质没有任何的退化。

文献链接：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：一维Si纳米结构的研究

一维(1D)纳米结构因其新颖的电子性质以及优异的功能性而受到科学家们的广泛关注。然而由于它们的纳米级尺寸，嵌入环境对其性能有着至关重要的影响。近日，来自美国橡树岭国家实验室的Paul C. Snijders (通讯作者)等人报道了一种新型一维Si的纳米结构。作者通过扫描隧道显微镜和光谱学，扫描透射电子显微镜，密度泛函理论和导电原子力显微镜研究了它们的形成过程和性质性能。研究表明，根据生长过程中的动力学约束，可以将它们制备成完全嵌入结晶Si中的内轴一维 Si纳米结构，未来在纳米器件的应用中有着良好前景。

文献链接: Homo-endotaxial one-dimensional Si nanostructures (Nanoscale, 2017, DOI: 10.1039/C7NR06968E)

7、Nano Letters：外延生长SiGe纳米线的非平面拉伸应变

近日，来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Emanuel Tutuc (通讯作者)等人报道了对Si_xGe_1-x-Si核-壳纳米线异质结构的生长和特性研究。作者通过单个纳米线获得的拉曼光谱揭示了Si_xGe_1-x核的Si-Si，Si-Ge和Ge-Ge模。研究结果表明，硅壳中获得了高达2.3％的拉伸应变，由于阳极核-壳导带偏移，会产生量子限域效应。Si_xGe_1-x-Si核-壳纳米线作为n型金属氧化物半导体场效应晶体管，与使用Si纳米线的控制器件相比，平均电子迁移率提高了40％。

文献链接：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：基于分子嵌入纳米线的多色谱特定硅纳米探测器

基于硅的光电探测器无法区分不同的波长,因此，这些检测器在颜色特定的滤光器上需继续进行颜色分离。彩色滤光片增加了彩色敏感器件制造的复杂性，并阻碍了这种器件的小型化。近日，来自以色列特拉维夫大学的Fernando Patolsky和以色列理工学院的Yuval E. Yaish (共同通讯作者)等人报道了一种超小型红-绿-蓝-紫滤波器的光谱门控场效应晶体管(SGFET)检测器。这些光电探测器基于有机硅纳米线混合FET器件，能够检测到半高峰100nm以下的特定可见波长谱。此外，暂停的SGFET可以作为非易失性存储器元件，与快速松弛的表面SGFET不同，它可以在环境条件下存储离散的“开”（RGBV照明）和“关”(紫外照明)状态几天。这些高度紧凑，光谱控制的纳米器件有可能用于未来的各种新型光电器件。

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

本文总结了硅纳米线相关领域的最新研究进展。硅纳米线合成和性能表征的研究很多，发现了硅纳米线有很多优异性能，取得了很大的成果，对于其在光电领域的应用发挥了巨大的作用。然而硅纳米线的形成机制还不完善，当前的制备还停留在研究阶段。硅纳米线的各种性能，尤其是在极小尺寸下表现出的性能有待于进一步研究。此外，硅纳米线各种特性的相互关系也是未来表征技术研究的方向之一。硅纳米线作为未来纳米电器件的基材，其制备技术、组装技术和表征技术等应用领域将得到不断的拓展。

本文由材料人编辑部纳米学术组jcfxs01供稿，材料牛编辑整理。

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