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( 二 ) 在过去几十年中

众所周知，随着SiNW的直径接近载流子德布罗意波长， SiNW的带隙会因量子限域效应而重整；并且，亚临界直径的SiNW表现出直接带隙，其随着纳米线直径的减小而增加，且与表面端接无关。随着直径变小， SiNW纳米线的带隙会逐渐变宽并偏离体相Si的带隙。
在室温下，使用240nm激发波长（5.17eV），超细纳米线在3.50eV处显示出强的光致发光（Photoluminescence ，简称PL）峰中心，在3.8eV处显示出弱的肩峰。相对于1.12eV的体相晶体Si的间接带隙， PL峰位明显蓝移，这可以证明SiNW的带隙重整化。
据悉，该团队还采用紫外光电子光谱和反光电子光谱技术，研究了超细SiNW的态密度及其价带顶和导带底的能量，该材料显示出了高达4.75eV的宽带隙。

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▲图|垂直排列的超细SiNW的抗氧化稳定性（来源：NatureCommunications）
据了解，当大块Si被劈裂并暴露在25°C、相对湿度30-50%的空气中时，硅表面会立即被氧化，并在24小时内形成11-13?（埃米）厚的SiOx 。此外，氢封端钝化硅在空气中24小时后也显示出高达7.6?的表面氧化物，在两周内形成11?厚的表面氧化物。
相应地，该团队将SiNW暴露于室温22°C、相对湿度40-50%的环境长达两个月，并记录了同一根SiNW的HRTEM图像，以研究SiNW在空气中的稳定性。他们观察到，新制备的SiNW显示出清晰的晶格条纹，没有明显的非晶氧化物壳。
在空气中7、30和60天后， SiNW表面被缓慢氧化，估计的氧化物层厚度以及相应的硅芯直径分别为5.0?（3.75nm）、12.8?（3.03nm）和14.9?（2.84nm）。 SiNW的表面氧化速率随时间降低，可能是由于Si/SiOx界面引起的自限制氧化效应。
综上所述，研究人员通过开发气相硅蚀刻工艺，展示了高生长密度、排列整齐的亚5nmSiNW的无催化剂合成。 SiNW沿[100]方向定向生长，晶格显著减小13-20% ，增强了纳米线对蚀刻和氧化的稳定性。
而且，这些具有非凡晶格收缩的亚5nmSiNW表现出显著的声子和电子限域效应，在纳米电子学和光电子学方面具有潜在的应用价值。
此外，含有数十亿个如此细小的整齐排列的SiNW的宏观薄膜，得益于其强量子限域效应和超高的比表面积，也可以应用在气体/化学传感器，锂离子电池和锂硫电池负极，以及太阳能电池中。
研究人员表示，其研究成果或将为研究高度量子限域效应的硅纳米结构的科学家提供更多机会，以探索它们在纳米电子学、光电子学和能源系统中的潜在用途。
参考资料：
1.Gao,S.,Hong,S.,Park,S.etal.Catalyst-freesynthesisofsub-5nmsiliconnanowirearrayswithmassivelatticecontractionandwidebandgap.NatCommun13,3467(2022).https://doi.org/10.1038/s41467-022-31174-x返回搜狐，查看更多
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