硅纳米线的表面改性

硅纳米线的表面改性

陈扬文唐元洪*裴立宅郭池

(湖南大学材料科学与工程学院长沙 410082)

摘要硅纳米线是一种新型半导体光电材料，具有纳米材料所特有的小尺寸效应，经表面改性的硅纳米线具有不同于普通硅纳米线的特殊性质。本文主要介绍硅纳米线表面改性的进展，包括为应

用于纳米电子技术中提高电子传输率和电路布线时达到更好欧姆接触而进行的硅纳米线表面金属改

性，阐述了金属在硅纳米线中的存在形态，以及应用于纳米传感器技术中为检测特定化合物及生物基

团而进行的硅纳米线表面有机物及生物改性。

关键词硅纳米线表面改性

Surface Modification of Silicon Nanowires

Chen Yangwen, Tang Yuanhong*, Pei Lizhai, Guo Chi

(College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082)

Abstract Silicon nanowire (SiNW) is a new kind of optoelectronic semiconductor material. SiNWs in the nanoscale regime exhibit quantum confinement effects. The modified SiNW is highly promising because of the different properties from the normal SiNWs. Here the development of modification of SiNWs,

including deposition metal nanoparticles on their surface to raise electronic conductivity and improve ohmic

contacts of SiNWs, modification with organic matter, biological macromolecules applied to nanosensors and

nanodetectors are introduced.

Key words Silicon nanowires, Surface modification

自1991年发现碳纳米管[1]以来，纳米科学无论基础研究还是应用研究都取得了突破性进展。材料在纳米尺度范围内受量子尺寸效应的影响，其电学、光学、磁性及力学等物理特性表现出不同于体材料的性质，此外由于硅基纳米技术能很好地和当代微电子技术相兼容，因此对硅纳米线的研究吸引了物理、化学、材料科学等领域科学家的广泛关注。1998年成功大量制备硅纳米线[2,3]取得突破后，各国科学家分别采用激光烧蚀[4]、化学气相沉积(CVD)[5]、热气相沉积[6]和有机溶剂生长[7]等方法成功制备出硅纳米线，并且通过多种手段对硅纳米线进行了表征以及对其物理、化学、电学、光学等性质的研究，目前硅纳米线已开始在逻辑门和计数器[8]、纳米传感器[9]、场发射器件[10]等领域取得了一定的应用。实验室大量制备的硅纳米线直径一般都在20nm左右，受小尺寸效应影响，表面原子比例随直径的减少急剧增大引起其性质的变化，由于硅纳米线表面原子存在大量未饱和键，具有很强的表面活性，现已开始对其进行表面改性研究。当适当地对硅纳米线表面进行其它元素修饰时，硅纳米线的物理、化学性质得到进一步的改进，能够广泛应用于纳米器件中。本文对硅纳米线的表面改性影响其物理、化学性质的改进，以及改性的一些原理，

陈扬文男，26岁，硕士生，现从事硅纳米线制备以及对其改性的研究。*联系人，E-mail: yhtang@

2005-01-26收稿，2005-09-09接受

硅纳米线表面改性后的应用研究进行介绍。

1金属纳米粒子改性

虽然在合成硅纳米线时可以通过改变工艺条件提高产量，但要通过控制硅纳米线的生长过程来提高电子的传导性却非常困难，而硅纳米线在电子及光电器件中应用时要求具有很高的电子传输率，以便电路布线时能够很好地实现欧姆接触，这就要求必须在合成硅纳米线时引入其它能够改变硅纳米线物理特性的元素来实现电子传输率的提高。鉴于金属良好的电子传输特性以及抗氧化性，金属在材料的表面改性中得到了广泛应用[11,12]，国际上很多科学家开始采用在硅纳米线表面通过化学方法沉积纳米金属，由于金属的引入，硅纳米线的电子传输特性有了很大的提高，在电路布线时金属改性的硅纳米线具有很好的欧姆接触。研究中发现在氢氟酸溶液中硅纳米线表面氧化物在常温下很容易被氢氟酸腐蚀，并且硅原子和氢原子在硅纳米线外表面成键，氢对于硅纳米线表面可发挥清洁和稳定的作用，其稳定性大大超出常规硅，并且硅氢键在含有金属离子溶液中很容易被贵金属离子氧化，金属离子得到电子后成为金属单质沉积在硅纳米线的表面，或者形成稳定的硅化物。

1.1硅纳米线表面金纳米粒子改性

Li等[13]采用热气相沉积法合成硅纳米线后成功通过氩离子溅射双边沉积方法在硅纳米线表面沉积了金的纳米粒子薄层(如图1所示)。在硅纳米线的外表面包覆着一层纳米金粒子，选区电子衍射对实验产物的晶体结构观测表明在硅纳米线中有Si、Au及金的硅化物(如Au3Si、Au5Si、Au7Si等)。研究者通过透射电镜(TEM)分析认为硅纳米线表面沉积纳米金粒子的过程是：(1)多面体纳米金粒子(粒径约5nm)吸附在硅纳米线的表面，一部分纳米金粒子被SiO2层包覆，离子束溅射时，吸附着的SiO2配合基开始消失，留下带负电的硅原子，由于表面张力作用一部分金纳米粒子开始沉入硅纳米线中；(2)部分纳米金粒子吞没在先融入的金晶体中形成金薄层，还有部分的金纳米颗粒和带负电的硅原子结合成硅金化合物(主要是Au3Si)；(3)金纳米粒子重新排列成整齐的晶格结构，形成整齐的金薄层。经纳米金粒子表面改性的硅纳米线具有很好的电子传输特性。

图1硅纳米线外表面被包覆纳米金粒子层的TEM图像

及选区电子衍射图像

Fig.1The TEM image of SiNWs coated with Au

nanoparticles and SAED

图2硅纳米线表面银改性的TEM图像Fig.2The TEM image of modified SiNWs surface with deposited Ag

1.2硅纳米线表面银纳米粒子改性