新形式的硅具备超宽带隙，应用前景广阔

纳米线可以被定义为一种具有在横向上被限制在100纳米以下（纵向没有限制）的一维结构。悬置纳米线指纳米线在真空条件下末端被固定。典型的纳米线的纵横比在1000以上，因此它们通常被称为一维材料。实验表明纳米线可以被用于下一代计算设备，例如：通过对纳米线掺杂，并对纳米线交叉可以制作逻辑门。这些在小尺度下才具备的性质使得纳米线被广泛应用于新兴的领域，例如纳电机系统。  

一项刚发表在Nature Communications的研究介绍了一种新形式的硅，该研究称这种形式的硅可以彻底改变半导体产业。     

用于制造超窄硅纳米线的新型化学气相蚀刻工艺的示意图  

美国东北大学机械与工业工程教授 Yung Joon Jung 和他的同事Moneesh Upmanyu在纳米线合成方面取得了重大进展。他们发现了一种新的、高密度的硅形式，同时掌握了一种新的、可扩展的无催化剂蚀刻工艺，使生产超小尺寸，直径为 2 到 5 nm的硅纳米线成为可能。  

这项研究的起点可以追溯到大约 10 年前，Jung 注意到学生们使用硅晶片进行的一项实验时出现的一个不同寻常的结果。在电子显微镜下看到的材料与学生们本打算生产的材料不同。Jung决定进一步了解这种物质，他发现这种物质是具有“非常、非常微小”的线状纳米结构的硅。当时他们能够复制新材料，但是当他们试图改进合成过程时，纳米线并没有生长。  

随后Jung和他的团队开始重新从头开始研究合成机制以及材料的原子级结构和特性。在项目中 Upmanyu使用理论、计算机建模和模拟来理解材料和解释实验。  

有反对者认为，在合成过程中由硅晶片产生的物质可能根本不是硅。因为这种材料具有高度压缩的结构，与普通硅相比减少了 10% 到 20%，而普通硅在这种压缩状态下通常是不稳定的。对此，Jung 表示 Upmanyu 的计算分析和建模能够证明，尽管具有不同寻常的特性，但这种新材料是一种硅形式，顶部有一层非常薄的氧化物，这可能有助于维持压缩。  

Upmanyu 说，硅被广泛用作计算机芯片、集成电路、晶体管、硅二极管和液晶显示器等微电子领域的半导体的原因之一是它便宜且丰富。根据英国皇家化学会的说法，硅是地壳中仅次于氧的第二丰富元素，但它在自然界中并非以其纯净、未结合的状态存在。硅可以在沙子、石英、燧石、花岗岩、云母和粘土以及其他石头和矿物中找到。然而，传统的硅无法承受高温，因此仅限于低功率应用。它的带隙为 1.11 eV （带隙决定了半导体材料中的电子在受到外部源刺激时导电所需的能量）。  

Jung说，这种新材料具有 4.16 eV 的超宽禁带宽度。超宽带隙意味着材料需要更大的刺激才能导电，但可以在高功率、高温和高频下工作。用这种新材料生产的硅纳米线将适用于电力电子、晶体管、二极管和 LED 设备。与普通硅不同，这种新材料具有很强的抗氧化性。这种硅能够发出蓝光和紫光，可用于紫外线照明和蓝光二极管。  

传统的纳米线的制备有被悬置法、沉积法、元素合成法等。Jung和他的研究团队还创造了一种生产硅纳米线的新方法，称为化学气相蚀刻。该方法通过去除材料而不是生长晶体制备纳米线。通过这种方法，可以制造出比目前商业上使用的硅纳米线小 10 到 20 倍的纳米线。  

先前已知的纳米线合成工艺使用催化剂颗粒来生长硅晶体。而Jung创造的方法无需催化剂，这消除了在合成后去除催化剂的需要，因为去除催化剂会降低纳米线的功能特性。有时，催化剂颗粒会成为纳米线表面的一部分，几乎不可能去除它们。这样科学家们可以复制控制长度高达 100 微米的纳米线。  

Upmanyu认为这项研究未来会产生广泛的影响。这种化学气相蚀刻方法将可用于许多其他材料。不仅可以考虑电子应用，还可以考虑任何想要获得小尺寸的应用材料制成。新的硅材料对半导体行业应该很有吸引力。它可用于军用无线电、雷达和太阳能电池等光伏设备。  

常规的硅带隙不允许处理紫外线并将其用于发电。这种便宜、丰富的宽带隙材料，可以成为拥有非常高效的太阳能电池。Upmanyu 表示这种材料甚至可以用于在水下收集太阳能，水会吸收红色和红外线光谱，因此能够收集蓝色和紫外线的太阳能电池变得至关重要。  

新的硅纳米线可以改善锂离子电池。进一步添加一些精选材料，如磷或氮（一种称为掺杂的技术）可以产生其他有趣的特性并允许其他应用。此外，研究人员表示这些硅纳米线中可以操纵各种有趣的量子现象，因为它们的尺寸非常小，这使得这种材料有望用于量子信息处理，甚至可能用于量子计算。  

这项研究还没有结束。科学家们仍然有兴趣更好地了解该过程背后的所有化学成分，并弄清楚为什么这种形式的硅的压缩如此稳定。他们希望优化蚀刻工艺以产生更光滑的表面并进一步扩大其用于工业应用的规模。

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