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柔性晶硅纳米线的定位、定向、定形宏量控制制备!

原标题:柔性晶硅纳米线的定位、定向、定形宏量控制制备!

晶体硅是建立现代微电子技术和发展信息社会的基础材料。然而,其坚硬和脆性的本质使其无法直接适应于日益兴起的柔性可穿戴/显示,仿生电子和可拉伸人造皮肤等新型器件应用。即便是准一维的晶硅纳米线,也仅仅获得了增强的可弯曲特性,依然难以实现足够的可拉伸特性(如>30%以上)。

如何将现有最为成熟的晶硅技术拓展到超柔性和可拉伸电子应用中,以继承晶硅的高迁移率、高稳定性和完备掺杂钝化工艺,正在成为国际相关领域研究的热点。为此,国际上多个科研团队尝试了纳米沟道限制、生长气氛调控和应力塑形等各种方法,通过对晶硅纳米线的线形调控,使之成为可拉伸的半导体纳米线弹簧(nanowire spring)沟道。

问题在于:受限于苛刻的微纳操纵、生长条件以及所昂贵电子束刻蚀工艺,至今还没有一种可在大面积衬底上可靠制备形貌可编程的晶硅纳米线阵列技术。

有鉴于此,南京大学电子科学与工程学院余林蔚教授课题组与北京大学魏贤龙课题组以及巴黎综合理工大学研究团队合作,首次提出了一种精确“定位、定向、定形”的平面纳米线形貌调控技术,可在大面积玻璃衬底上,通过传统低温薄膜工艺(<350 oC),批量制备线形可编程(Line-shape-programmed)的纳米线阵列。

图1. 可编程平面晶硅纳米线生长、可编程线形调控和可拉伸电子器件

薛兆国等研究人员采用覆盖在衬底表面的非晶硅薄膜作为前驱体,金属铟(indium)液滴在平面中吸收非晶硅并生成晶态的纳米线。由于金属液滴的平面运动可以被一个简单的台阶所引导,纳米线的形貌可以通过对台阶边缘的预先设计来定制,从而实现任意“一笔画图案”的纳米线结构。

图2. 晶硅纳米线弹簧的力学和电学测试

作为其中的一个应用,首次成功批量制备了可拉伸的晶硅纳米线弹簧结构,通过原位SEM操作和同步电学测试,验证其在拉伸>200%的情况下依然能保持正常导电特性。从而为实现新一代高迁移率、高稳定性可拉伸纳米线器件指示了一条可靠的形貌调控和宏量制备策略,有望突破长期以来限制晶硅在可拉伸电子应用的关键技术瓶颈,为进一步拓展相关产业化应用铺垫了具有自主知识产权的关键基础。

Zhaoguo Xue, XianlongWei, Linwei Yu et al. DeterministicLine-Shape Programming of Silicon Nanowires for Extremely Stretchable Springsand Electronics. Nano Lett., 2017, 17, 7638–7646.

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