华人科学家研发超细硅纳米线阵列合成工艺，可用于光电子学等领域在过去几十年中

在过去几十年中，硅纳米线（SiliconNanowire ，简称SiNW）一直被科学家积极研究，并在纳米电子学、光电子学、传感/检测、生物技术和能源系统等领域广泛应用。然而，制备大量具有有效量子限域维度的硅纳米线仍然具有挑战性。
目前， SiNW的合成多使用纳米颗粒催化剂辅助的气-液-固（VapourLiquidSolid ，简称VLS）生长或者湿法化学蚀刻工艺，因此其直径会受到纳米颗粒催化剂尺寸的限制。因此，这些方法所合成出的典型一维SiNW具有相当大的直径，达到了10nm到100nm ，其所带来的一维量子限域效应也很有限。
尽管已有科学家通过使用小尺寸纳米颗粒催化剂的VLS生长方法，在减小SiNW的直径方面取得一定的成就，但由于仍使用到了催化剂纳米颗粒，还需要运用复杂的纯化处理工艺来除去它们，且在处理过程中SiNW会被破坏和掺杂。
此外，上述这些方法合成的SiNW生长方向不整齐、生长密度低，这或许也是当前在实验上对低于5nm的量子限域的一维晶体Si（Silicon ，硅）知之甚少的关键原因之一。

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▲图|SenGao博士（来源：SenGao）
近日，美国马萨诸塞州波士顿东北大学机械与工业工程系SenGao博士及其团队针对上述问题，提出了一种能够形成高密度和垂直对齐的超细SiNW的化学蒸气蚀刻（Chemicalvaporetching ，简称CVE）工艺。与催化剂辅助生长和湿化学蚀刻方法不同，该工艺可以直接在Si晶片上制备长达几十微米的亚5nmSiNW晶体，且不需要任何纳米颗粒催化剂。此外，采用CVE工艺生产的SiNW表现出高达20%的非凡晶格收缩和优于传统硅材料的抗氧化稳定性。
6月20日，相关论文以《具有大量晶格收缩和宽带隙的亚5nm硅纳米线阵列的无催化剂合成》（Catalyst-freesynthesisofsub-5nmsiliconnanowirearrayswithmassivelatticecontractionandwidebandgap）为题发表在NatureCommunications上，美国东北大学机械与工业工程学院教授YungJoonJung担任通讯作者,SenGao是第一作者[1] 。

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▲图|相关论文（来源：NatureCommunications）
据了解，研究中，该团队首先采用其开发的无催化剂化学蒸气蚀刻工艺，制备出长径比大于10000、高密度且垂直排列的亚5nmSiNW阵列。
接着，研究人员基于选区电子衍射图案进一步研究了该纳米线的结构特征。他们表示，在常温常压下，金刚石立方结构的硅晶格展现出令人惊讶的非各向同性大压缩特性。
此外，他们通过分析一组具有代表性的HRTEM（HighResolutionTransmissionElectronMicroscope ，高分辨率透射电镜）图像，确定了它们是位于2-5nm范围内具有窄直径尺寸分布的纳米线，其中多数纳米线的直径与激子玻尔半径相当或偏小，处于电子和光学特性可调的量子限域效应作用的尺寸范围之内。
SenGao表示， “我们曾经在日本东京理科大学，美国东北大学和哈佛大学使用透射电子显微镜表征我们的超细硅纳米线。然而，在相同的晶体结构下，这种硅纳米线呈现出的晶格收缩如此之大，偏离了体相硅13-20% ，使得人们不敢相信自己的眼睛。不约而同地，它们的工作人员告诉我们，对不起，我们的透射电镜需要校准了。最后，我们确认这是一种未经报道过的全新的硅材料，并会持续对这种新结构做进一步的研究和报道。 ”

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▲图|垂直排列的高密度SiNW的形态（来源：NatureCommunications）