实现了对所生长出纳米线直径和形貌的实时调控,首次成功批量制备了可拉伸的晶硅纳米线弹簧结构

近年来,由于在可穿戴电子、生物仿生和医疗等领域的巨大应用前景,高性能柔性可拉伸电子(Stretchable
Electronics)功能材料成为广泛关注的研究热点。传统高性能电子器件的核心材料基础是晶硅(Crystalline
silicon),然而其本身不具备可拉伸性(stretchability)。即便在一维纳米线形貌,也仅仅是柔性可弯曲(flexible
or
bendable)而已,很难在晶硅纳米线上实现>3%以的可拉伸性。与此同时,大多数可拉伸有机或聚合物材料却不具备晶硅材料所特有的高迁移率、高稳定性和完备技术工艺。为了获得高性能的硅基柔性可拉伸电子器件,最直接有效的策略就是将晶硅纳米线制备场周期性Zigzag的纳米线弹簧结构。围绕此目标,国际上多个科研国家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。然而,受限于十分苛刻的微纳操纵生长条件,至今还没有获得一种在较低生长温度下大规模可控制备的方法,难以在可穿戴电子和传感等实际器件应用中获得突破。

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,国际上多个科研国家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。然而,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。

硅基纳米结构材料的形貌和性质调控是开拓新型高性能硅基纳电子和光电集成器件的重要基础。基于一种新颖的平面纳米线生长策略,南京大学电子科学与工程学院余林蔚、徐骏教授课题组,提出并实现了一种可编程的晶硅纳米线周期性形貌调控技术,为进而调制其中电子、光子以及声子的输运特性提供了强有力的新技术手段。类似于液体束流中的Plateau-Rayleigh不稳定特性,一维纳米线在表面能最小化的驱使下,将“倾向于”自发演化成分立的珠串结构。虽然原则上,在低温下固态晶硅纳米线无法完成上述的PR形貌转变,但课题组巧妙地借助于金属纳米液滴的自驱动生长和柔性“固-液”生长界面,在350oC的低温下,实现了对所生长出纳米线直径和形貌的实时调控,“塑造”出周期性的岛链状(island-chain)纳米线结构。令人吃惊的是,在此过程中PR形变动态可以被宏观调控参量很好地掌控,从而制备出几乎任意中间态的硅纳米珠串形貌结构。例如:可以保持晶硅岛之间的窄沟道连接(这对于电声传输尤其重要),并同时实现岛链状纳米线的精确定向定位。针对此新颖的金属纳米颗粒生长特性,此工作还进一步讨论了其中的独特形貌调控理论,并建立了关键的生长描述模型。此项研究的突破,充分展示了液态金属液滴自组织生长在调控硅基纳米结构材料上的巨大潜力和机遇,也为在大面积尺度上开发和集成新一代的高性能硅基电子和光电子器件,深入研究其中独特的光、热、电及其相互转换特性,提供了理想的结构框架。

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硅/氧化锡基复合纳米线结构设计图

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

本项研究成果论文,Engineering island-chain silicon nanowires via a
droplet mediated Plateau-Rayleigh transformation发表在NATURE
COMMUNICATIONS | 7:12836 | DOI:
10.1038/ncomms12836之上。论文的第一作者为博士生薛兆国同学,通讯作者是南京大学余林蔚教授和徐骏教授。相关工作得到了电子科学与工程学院的施毅教授、陈坤基教授以及法国巴黎综合理工/CNRS,LPICM实验室Pere
Roca i
Cabarrocas教授的大力支持。该项研究工作受到“青年千人计划”,国家基础研究“973”课题,国家自然科学基金,江苏杰出青年基金,江苏省自然科学基金,双创人才计划和江苏省“333”高层次人才培养工程项目的资助。

南京大学电子科学与工程学院余林蔚教授课题组,通过与北京大学和巴黎综合理工大学的合作,首次发现了一种平面限制的自发Zigzag振荡晶硅纳米线生长模式,可在大面积低温硅基薄膜工艺所兼容的条件下,这为进一步性能提高确定了方向。此研究结果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全新的形貌调控和制备策略,并有望将成熟的晶硅电子技术拓展到全新的柔性可拉伸电子领域,推动可穿戴电子应用的新思路和新方向。

南京大学电子科学与工程学院余林蔚教授课题组,通过与北京大学和巴黎综合理工大学课题组的合作,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,批量制备线形可编程(Line-shape-
programmed)的纳米线阵列。具体而言,采用覆盖在衬底表面的非晶硅薄膜作为前驱体,金属铟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。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。

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本项研究成果论文, In-plane self-turning and twin dynamics renders large
stretchability to mono-like zigzag silicon nanowire springs,
发表在Advanced Functional Materials , DOI:
10.1002/adfm.201600780之上。论文的第一作者为博士生薛兆国同学,通讯作者是南京大学余林蔚教授和北京大学陈青教授。相关工作得到了电子科学与工程学院的徐骏教授、施毅教授、潘力嘉教授以及法国巴黎综合理工/CNRS,LPICM实验室Pere
Roca i
Cabarrocas教授的大力支持。该项研究工作受到“青年千人计划”,国家基础研究“973”课题,国家自然科学基金,江苏自然科学基金,双创人才计划和江苏省“333”高层次人才培养工程项目的资助。

本项研究成果论文, Deterministic Line-Shape Programming of Silicon
Nanowires for Extremely Stretchable Springs and Electronics,
近期发表在《纳米快报》Nano
Letters之上。论文第一作者为博士生薛兆国同学,通讯作者是南京大学余林蔚教授和北京大学魏贤龙教授。相关工作得到了电子科学与工程学院的徐骏教授、施毅教授以及法国巴黎综合理工Pere
Roca i
Cabarrocas教授的大力支持。该项研究工作受到“青年千人计划”,国家基础研究“973”课题,团队自然科学基金,江苏省杰出青年基金和“双创人才”个人与国家计划的资助。

(电子科学与工程学院 科学技术处)

(电子科学与工程学院 科学技术处)

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(电子科学与工程学院 科学技术处)

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