硅方面的材料

硅纳米材料简介及其研究进展

物理学专业学生乔珍

指导教师苏希玉

摘要：通过回顾对于硅纳米材料研究的起源、发展，对硅纳米材料的结构、应用研究及应用前景进行了详细介绍，以此使人们对硅纳米材料及纳米技术有个正确认识和初步理解。硅纳米材料的发现在物理学史上具有重要的意义，因为正是由于它的发现使得我们在锂电池、太阳能电池等方面获得巨大进展，并且由于其特殊性能硅纳米材料有望成为新一代的纳米电子器件基材。本论文通过详细阐述硅纳米材料的性能、大量制备合成的可行性，即着重按硅纳米线的生长机理概括了几种合成方法，包括气-液-固生长法、有机溶液生长法、氧化物辅助生长法、分子束取向附生法、固-液-固生长法，进而全面的介绍了硅纳米材料的应用研究，其中包括电池效率、传感器、电子器件等，并指出今后的研究方向。

关键词：硅纳米材料硅纳米线锂离子电池

Brief Introduction of Silicon Nano-materials and Advancing in Research of one-dimensional Silicon Nano-materials

Student majoring in physics Qiao Zhen

Tutor Su Xiyu

Abstract：Through reviewing for silicon nano materials research the origin, development, on the silicon nanometer material structure, application and application prospect are introduced in detail, so that people on the silicon nanometer materials and nanotechnology have a correct understanding and a preliminary understanding. Silicon nano materials found in the history of physics has important sense, because it is due to its discovery allows us in the lithium battery, solar battery, obtained tremendous progress, and because of its special properties of nanometer silicon material is expected to become a new generation of nano electronic device substrate. In this paper, by elaborating the silicon nano material performance, large scale preparation of synthetic feasibility, emphasize namely by silicon nanowire growth mechanism is summarized several synthesis methods, including gas - liquid - solid growth method, organic solution growth method, oxide-assisted growth method, molecular beam epitaxy method, solid - liquid - solid growth method, and comprehensive introduction of the silicon nano material application, which includes a battery efficiency, sensors, electronic devices, and points out the research direction in the future.

Key words:siliconnano-materials; siliconnanowires; lithium-ion battery

引言纳米材料的研究最初源于19世纪60年代对胶体微粒的研究。20世纪60年代后，

研究人员开始有意识地通过对金属纳米微粒的制备和研究来探索纳米体系的奥秘【1】。1984年，德国的格莱特教授把粒径为6nm的金属铁粉原位加压制成世界上第一块纳米材

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料，开创了纳米材料学之先河。1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术学术会议(Nano-ST)，这标志着纳米材料学作为一个相对独立的学科的诞生。1991年，Iijima在高分辨透射电镜（HRTEM）下观察到纳米碳管，自此纳米材料的制备和研究成为国际上材料科学研究的焦点。材料的一位纳米结构如纳米管、纳米丝以及有这些纳米结构组装成的纳米阵列体系尤其引人关注。纳米技术是20世纪80年代末期刚刚诞生的并在迅速崛起的用原子和分子创制新物质的技术，是研究尺寸范围在一百纳米以下的物质的组成，在这种水平上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。中国在纳米基础研究领域并不落后。20世纪90年代初，科技部、国家自然科学基金委、中国科学院等单位就启动了有关纳米材料的攀登计划、国家重点基础研究项目等，投入数千万元资金支持纳米基础研究，使中国在纳米材料基础研究方面，尤其是纳米结构的控制合成方面，处在比较前沿的位置，继美、日、德之后，位居世界第四【2】。

1 硅纳米材料

硅虽为半导体材料，但不是很好的光电子材料。然而，当空间尺寸小到纳米级时，在量子限制条件下，可能打破硅材料的晶格对称性并使不同的动量态相互混杂，诱发有效的发光与光学增益态，从而获得硅基材料的高效光发射。微电子技术的发展使硅材料的用途越来越广，运算速度越来越快、记忆容量越来越大是微电子产业的趋势。目前每一块硅芯片上可以刻制出1亿个逻辑单元，在如此高密度电路板上，单元与单元之间的接线的宽度就不能超过100--200nm。这对硅芯片的尺寸有了更高的要求。由于具有纳米硅材料独特的物理特性(例如光发射、场发射、量子限制效应等)，纳米尺寸的硅材料(例如纳米晶体、多孔硅、量子井和纳米线等)引起了科学家们的极大兴趣。

一维硅纳米材料具有与传统材料截然不同的特殊性质，当材料的直径与其德布罗意波长相当时，导带与价带会进一步分裂，量子限制效应与非线性光学效应等会表现得越来越明显；因此，一维硅纳米材料可望成为新一代的纳米电子器件基材。更重要的是，由于它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，一维硅纳米材料成为目前凝聚态物理和材料科学等领域的研究热点之一【3】。硅纳米线最初采用照相平版蚀刻技术及扫描隧道显微方法得到，但产量小；直到1998年，采用激光烧蚀法首次实现了硅纳米线的大量制备【4-6】。目前大量合成硅纳米线的方法主要有激光烧蚀法、热气相沉积法、化学气相沉积法等，生长机理可分为金属催化气-液-固(VLS)生长机理，超临界流-固-固机理、氧化物辅助生长机理和固-液-固生长机理等。

2硅纳米线的研究现状

硅纳米线是近年来发展起来的一种新型纳米信息材料，最早采用电子束平版

印刷术和刻蚀技术制得了硅纳米线。电子束平版印刷术的分辨率限制了硅纳米线的直径，目前采用此方法制备的硅纳米线直径约30一100nm。经过电子束平版印刷术处理后必须进行反应性离子刻蚀(RIE)，采用RIE法制备的硅纳米线最小直径为 5nm。然而，电子束平版印刷术及RIE技术耗时长且制备过程复杂，而且所制备的硅纳米线为生长于SiO2上的非自由式结构。1997年，Ono等采用超高真空STM，在硅衬底与扫描隧道显微镜之间通以恒定电流，在STM电流作用下硅蒸发并沉积到金探头的尖端，从而获得了自由式的硅纳米线。然而，这种方法每次只能制备一根硅纳米线。直到1998年C.M.Liber 等小组采用激光烧蚀法以Fe或者Au做催化剂，提出了纳米团簇催化法制备纳米硅线的方法，首次实现了硅纳米线的大量制备后，硅纳米线的研究才取得了较大进展。到目前

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