文献解读 – 杨培东 Nature Nanotechnology：单根硅纳米线光电化学_材料人-爱微帮
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点击上方“材料人”即可订阅哦！&背景前言光电化学是实现太阳能高效转化为有机燃料的重要方法之一。最近的一些研究结果表明，用半导体纳米/微米线阵列制备的光电极相对于平面异质结制备的光电极具有更好的光电性能。这是因为其具有独一无二的光电性质，例如：纳米/微米线具有更高的比表面积。虽然研究人员对线阵列进行了大量的研究，但是，阵列中的形貌均匀性，掺杂，缺陷以及催化剂负载等因素所起的作用和相互联系并不清晰。阵列整体的平均性能并不代表单根线的光电性能。有鉴于此，杨培东教授课题组在号一期的Nature Nanotechnology上报道了一种基于单根硅纳米线的光电极平台，能够可靠地检测单根硅纳米线的I-V特性。研究人员发现，单根纳米线的性能好坏，将影响整个阵列的光电压输出性能，因此，提高阵列中单根纳米线的均匀性非常重要。另外，他们还发现，光生电子的通量是单根纳米线的长度和直径的函数。单根纳米线上的通量(7-30电子/nm2/s)比平面结构上的通量（1200/nm2/s）大大减少。在半导体/电解液界面，光生载流子的这些通量特性对于设计和负载催化剂活性相匹配的纳米线光电极具有十分重要的意义。图1：单根硅纳米线光电极用于PEC(光电化学)测试的示意图测试模型在光照下，单根硅纳米线内产生电子-空穴对，随后因能带弯曲，电子和空穴在纳米线/电解质界面处分离。电子迁移到铂催化位点，参与质子还原反应。图2：单根硅纳米线光电极SEM表征测试模型形貌概述基底是绝缘硅片，上层是九个电隔离的氧化物钝化电极，其下面是氧化物层。单硅纳米线利用VLS机制控制垂直生长，孤立的硅电极的比例是：10um。图3：单根硅纳米线光电极的制备过程生长过程如图所示，先高温氧化得到硅纳米线，再尽量降低缺陷的情况下进行精细控制掺杂。两种掺杂（p型硅和n+&p型硅）的装置被制成用于比较。图4：单根硅纳米线光电极的检测方法PEC测量方法用一个两电极装置表征单个纳米线的I-V特性。硅纳米线作为工作电极，铂丝用作反电极/参考电极。PEC过程发生在由聚二甲基硅氧烷（PDMS）腔室限定的反应容器中。探针通过外部焊盘使每个纳米线通电，并从上方照射光。图5：单根硅纳米线期间的PEC性能之一图6：单根硅纳米线期间的PEC性能之二图7：单根硅纳米线期间的PEC性能之三图5.6.7，通过光照之后，在短时间内，在相同的外电压下电流上升更快，相对黑暗条件下，说明硅纳米线的光响应性能好，并且此电极的稳定较好。图8：光生电子通量分析之一-1 mA cm–2&= 62 electrons nm–2&s–1图9：光生电子通量分析之二L代表硅纳米线的长度，D代表硅纳米线的直径。光生电子通量随L增加而降低，随D增加而升高。图10：光生电子通量分析之三随着纳米线的粗糙度增加，光生电子通量是降低的。光生电子通量测试分别测试分析了光生通量与电位，纳米线长度和直径以及粗糙度的关系，进一步突出体现了纳米线结构相比于平面结构的优势。一句话总结：这种单纳米线光电极的模型体系，可进行更进一步的研究和设计，例如:可以引入不同形貌的纳米结构为负载不同的电催化剂提供合理的结构。为下一代的纳米线光电极太阳能-燃料转换装置提供理论和技术的支持。该成果发表在Nature Nanotechnology& 上（点击二维码下方的“阅读原文”进入材料牛可获取链接）。该文献解读由材料人新能源学习小组袁理供稿，参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流 群”，若想参与新能源文献解读和文献汇总、新能源知识科普和深度挖掘新能源学术产业信息请加“新能源学习小组 ”欢迎各大课题组到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱材料人服务材料科技创新试剂 · 耗材 · 仪器 · 测试合作电话：010-邮箱：微信号：icailiaoren
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内容提要：
本书为系统介绍硅纳米线及硅纳米管的专著，论述了硅纳米线及硅纳米管的制备、结构、性能与应用。硅纳米线及硅纳米管由于结构及性能上的特殊性，以及与目前广泛应用的微电子硅材料的内在联系，因而在纳米材料与纳米器件方面有较大的潜在应用前景，使其成为当前国际前沿的研究热点。作者在国内外大量原始文献的基础上，结合自己的实验与理论，系统阐述了硅纳米线及硅纳米管的背景、现状和前景，内容丰富、翔实。本书可供从事纳米科学与技术的专业人员阅读参考，也可供材料科学与工程、物理、化学、电子相关专业的本科生、研究生作为相关课题的参考书。
本书为系统介绍硅纳米线及硅纳米管的专著，论述了硅纳米线及硅纳米管的制备、结构、性能和应用。硅纳米线及硅纳米管由于结构及性能上的特殊性，以及与目前广泛应用的微电子硅材料的内在联系，因而在纳米材料与纳米器件方面有较大的潜在应用前景，使其成为当前国际前沿的研究热点。作者在国内外大量原始文献的基础上，结合自己的实验与理论，系统阐述了硅纳米线及硅纳米的背景、现状和前景，内容丰富、翔实。 　　本书可供从事硅纳米科学与技术的专业人员阅读参考，也可供材料科学与工程、物理、化学、电子相关专业的本科生、研究生作为相关课题的参考书。
作者： 唐洪元
第1章 绪论1.1 硅纳米线概述1.2 硅纳米线的制备1.3 硅纳米线物理特性1.4 硅纳米线应用的前期处理1.5 硅纳米线的表征1.6 硅纳米线的应用及展望1.7 硅纳米管的制备及应用前景参考文献第2章 硅纳米线/管的制备2.1 硅纳米线的制备2.2 生长条件对硅纳米线的影响2.3 硅纳米管制备的理论预测2.4 硅纳米管制备的实验实现参考文献第3章 硅纳米线/管的表征方法3.1 硅纳米线/管的表征3.2 硅纳米线/管的形貌3.3 硅纳米线的拉曼光谱参考文献第4章 硅纳米线/管的同步辐射研究4.1 同步辐射原理4.2 研究纳米材料4.3 同步辐射研究硅纳米线/管参考文献第5章 硅纳米线的氧化物辅助生长机理5.1 引言5.2 硅纳米线的金属VLS催化生长机理5.3 硅纳米线的氧化物辅助生长机理5.4 氧化物辅助生长机理制备其他一维纳米材料参考文献第6章 硅纳米线的掺杂与金属化6.1 掺杂硅纳米线的种类6.2 硅纳米线的掺杂工艺6.3 掺杂硅纳米线的检测6.4 硅纳米线的金属化参考文献第7章 硅纳米线/管的性能7.1 硅纳米线的电学特性7.2 硅纳米线光学特性7.3 硅纳米线的光电特性7.4 硅纳米管的性能参考文献第8章 硅纳米线与多孔硅8.1 多孔硅概述8.2 多孔硅的制备方法8.3 多孔硅的形成机理8.4 多孔硅的光致发光8.5 无酸水热法多孔硅与电化学阳极氧化法多孔硅的比较8.6 多孔硅作为制备硅纳米线的模板参考文献第9章 硅纳米线/管的应用9.1 硅纳米线的表面改性9.2 硅纳米线应用的前期处理及准备工序9.3 硅纳米线纳米电子器件的制备9.4 各种硅纳米线纳米电子器件9.5 硅纳米线传感器的应用9.6 硅纳米管的应用前景参考文献
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Copyright &作者：李惠钰 来源： 发布时间： 11:16:21
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硅纳米线将绘电子器件新版图
虽然我国目前已经初步实现了硅纳米晶体管、传感器等纳米器件的部分功能，但是离纳米器件的大规模集成还有相当大的距离。
美国斯坦福大学研究人员已经研发出用硅纳米线制成的&纸电池&。
图片来源：
■本报记者 李惠钰
当全世界的科学家一窝蜂地关注碳纳米管时，殊不知，另一种一维纳米材料硅纳米线同样能给人带来意想不到的惊喜。
不久前，美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员通过编织比头发丝还细的硅纳米线纤维，研制出一种柔性的、可弯曲或扭曲的太阳能织物电池，它能够从不同的角度收集光能，为可穿戴式电源带来新思路。
其实，太阳能电池仅是硅纳米线的主要应用领域之一。由于自身的特殊性能，硅纳米线在化学检测、生物学和医疗等领域都蕴藏着巨大的发展潜力。
纳米科技的新产物
一纳米等于十亿分之一米，跨越这个距离也预示着将进入一个全新的世界，硅纳米线就是这一新世界的产物。
硅是微电子器件中应用最为广泛的半导体材料，而直径仅为10纳米左右的硅纳米线，由于尺寸的减少，出现了许多不同于体硅的特性，如特有的荧光、紫外等光学特性；场发射、电子输运等电学特性；较低的热传导率、高表面活性和量子限制效应等。
其实，对于这种新型的半导体光电材料，我国的研究并不逊色。
早在日，三根漂亮的硅纳米线就登上了当天《科学》杂志的封面，而这也是中国科学院院士李述汤第一次向世人展示他所研制的全球最细的硅纳米线。
李述汤表示，相比其他低成本的半导体材料如二氧化钛纳米微晶体，硅纳米线具有较高的表面积与体积比，这也意味着它有更大的表面积来吸收光，也有很大的界面供激子分离成电子与空穴，并能提供良好的导电路径来传输电荷。这些特性都能提高光转换效率，进而降低太阳能电池的成本。
研究显示，对于波长为300~800纳米的光，在正入射的情况下，硅薄膜的平均光吸收率为65%，而硅纳米线阵列的平均光吸收率在80%以上；在光入射角为60度时，硅薄膜的平均光吸收率为45% ，而硅纳米线阵列的平均光吸收率可达70%。
&随着电子器件尺寸的减小，硅纳米线量子限制效应、库仑阻塞效应等新颖性能也会越来越明显，这将更深层次地揭示纳米半导体材料的新现象、新性能，为实现纳米器件的应用打下基础。&安徽工业大学教授裴立宅如是说。
巨大的应用潜力
除了太阳能电池，硅纳米线在其他纳米器件上的应用前景也已经显现。
裴立宅告诉《中国科学报》记者，近几年来，硅纳米线在检测各种不同物质的纳米传感器、纳米晶体管等方面都已经取得一系列进展。
裴立宅表示，由于硅纳米线表面活性高，因而对温度、光、湿气等环境因素的敏感度也高，外界环境的改变会迅速引起表面或界面离子价态电子输运的变化。
利用硅纳米线这种电阻的显著变化，可以制成纳米传感器，实现硅纳米线在化学、生物传感中的应用。
就在不久前，北京大学环境科学与工程学院研究员要茂盛就利用硅纳米线的高敏感性，研制出一种硅纳米流感诊断设备，患者只需吹口气，就可以快速检测到是否含有流感病毒。
&硅纳米线是半导体，导电性能差。当病毒与之连接的相应抗体结合时，其导电性就会发生微小变化，通过检测这种变化，就可以判断是否有特定类型的流感病毒。&要茂盛告诉记者，相比传统实验室采用的病毒分离、培养、定量基因扩增等方法，硅纳米线传感器灵敏度更高，检测速度也更快。
而要想实现硅纳米线更为广泛的应用，还可以通过掺杂其他元素来改善硅纳米线的性能，从而取得普通硅材料不可能实现的应用，制造出更加实用的纳米器件。
据裴立宅介绍，目前采用掺杂硅纳米线制备的电子元器件，主要集中于磷、硼两种元素。以这两种元素作为掺杂源时，可以控制硅纳米线中的电子和空穴及其浓度，也可采用自组装工艺制备出硅纳米线场效应晶体管等纳米电子器件。
除此之外，利用掺杂硅纳米线还可以控制单个电子以实现单电子存储元件的制备，当电子到达或接近传导通路的存储节点后，晶体管的电压就会发生变化。
&这种可以精确控制存储电子的纳米硅单电子存储元件，具有尺寸小、能耗小等特性，在将来的大规模集成电路中具有潜在的应用前景。&裴立宅说。
良好的应用前景，并不能完全代表着纳米材料就可以&一路高歌&。
有专家表示，未来的纳米电子器件和纳米光电子器件应该是高集成、多功能和智能化的，它能将信息的探测（传感器）、运算（芯片）、运输（通信）和动作的执行等诸多功能集成到纳米结构中。因此，研究纳米结构和材料是纳米科技中最具挑战性的领域。
随着人们对超大容量电子存储器的需求量增加，再加之硅基微电子集成电路技术将很快达到自身的物理极限，硅纳米线极有可能成为纳米电子学领域极有应用潜力的新材料。
不过，裴立宅同时表示，虽然我国目前已初步实现了纳米晶体管、传感器等纳米器件的部分功能，但是离纳米器件的大规模集成还有相当大的距离。
&从目前的研究来看，利用掺杂硅纳米线制备纳米器件还存在一定问题，如对掺杂硅纳米线的掺杂机理、特性的研究还不够深入，而且采用硅纳米线制备的纳米器件重复性较差。&
裴立宅认为，解决上述问题，就要深入研究如何改进掺杂硅纳米线的制备工艺，减少后处理过程，制得容易测试的样品，并逐步实现可重复、大规模化生产工艺。而所有这些都需要通过科研工作者的不断探索来实现。
《中国科学报》 ( 第5版 创新周刊)
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