硅纳米线将绘电子器件新版图
2013年08月14日
作者：李惠钰
来源：中国科学报
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”。
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■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2003年3月21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。
问题待解
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》 (2013-08-14 第5版 创新周刊)