Nano. Lett.：单晶硅纳米线确实可以长到厘米长度！

【引言】

硅纳米线作为一类重要的一维纳米材料，在纳米器件方向具有很好的应用前景，特别是在柔性可穿戴式传感器方面，实现医疗监护的快速、准确检测。硅纳米线的比表面积大，对外界环境变化敏感，利用电阻变化制成的传感器具有响应速度快、准确度高、选择性好、使用寿命较长等优势，在生物化学传感器领域具有明显的应用前景。直径在纳米尺度，长度为微米以上尺度的超长硅纳米线具有独特的机械性能、光学性能以及电学性能，实现长度超过厘米级且直径可控的硅纳米线的制备，不仅对揭示纳米尺度新科学和新机理具有理论意义，同时也是对实现高性能传感器大规模应用和快速准确的医疗监护具有现实意义。

【成果简介】

近日，中科院理化所/苏州大学张晓宏研究员、中科院理化所王辉、苏州大学李述汤院士（共同通讯作者）等人基于蒸汽-液体-固体（VLS）生长的方法，以SiO为硅源，锡棒为催化剂，采用温度梯度辅助生长的方式制备了厘米尺度的一维单晶硅纳米线。同时将制备的单晶硅纳米线制成可穿戴式应变传感器检测人体关节活动，结果表明制备的传感器具有良好的灵活性、较高的灵敏度以及优良的复现性。相关成果以题为“Centimeter-Long Single-Crystalline Si Nanowires”发表在了Nano Letters上。

【图文导读】

图1. 硅纳米线生长机理示意图

（a）硅纳米线的温度梯度辅助生长示意图。SCO为surface curvature oscillations缩写，表示为表面曲率振荡。

（b）一次表面曲率振荡循环示意图。此过程包含三个阶段，分别是（1）顶端液滴的蒸发，导致固液界面膨胀，这是速度最慢的一步；（2）源蒸汽的快速吸附，导致液滴尺寸增大；（3）快速沉降阶段，导致纳米线的纵向生长。

图2. 超长单晶硅纳米线的合成与表征

（a）合成单晶硅纳米线装置示意图。单晶硅纳米线的合成以SiO粉末为硅源，锡棒为催化剂，管式炉提供相应的反应温度，图为管式炉的炉管装置示意图。

（b）30个超长硅纳米线的长度统计结果。结果表明30个单晶硅纳米线样品的平均长度为1.45 ± 0.06 cm，生长速度为330 μm/min。

（c）超长硅纳米线的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。结果表明合成的硅纳米线为单晶硅，并且沿着(110)晶面延伸。

（d）HF处理硅纳米线后直径和处理位置在500-900 nm范围内具有较好的线性关系。

图3. 单晶硅纳米线不同生长阶段TEM图

（a）（b）（c）为单晶硅纳米线生长过程中不同时期的TEM图片，结果表明厘米范围的硅纳米线在生长过程中有明显的直径变化以及连续的晶体结构，但是没有出现明显的面缺陷和生长方向的改变。

图4. 单个超长硅纳米线图片

（a）单个1.4 cm长的硅纳米线的集成光学显微镜图片。当硅纳米线的长度达到厘米尺度，可通过裸眼观察硅纳米线。

（b）三种不同模式下单个超长硅纳米线的集成光学显微镜图片。硅纳米线有足够的长度和柔韧性，可通过镊子将硅纳米线制备成不同的形状。

（c）超长硅纳米线的曲率半径。硅纳米线有非常小的曲率半径，如直径为413 nm的纳米线，其曲率半径仅为约30 μm。

图5 单晶硅纳米线用于可穿戴式应变传感器检测人体关节活动

（a）单晶硅纳米线可穿戴式应力传感器检测人体手指关节运动的电流响应结果。

（b）可穿戴式应力传感器的光学照片。

（c）电阻和应变的相对变化结果。

（d）单晶硅纳米线可穿戴式应力传感器在不同拉力下的响应。误差棒表示标准偏差。

（c）和（d）实验结果表明单晶硅纳米线可穿戴式应力传感器对检测人体手指关节运动具有良好的灵活性和较高的灵敏度。

（e）单晶硅纳米线可穿戴式应力传感器在0.35% 拉伸应变条件下的重复循环性能。重复100次之后传感器依然具有良好的响应结果，结果表明传感器具有良好的复现性。

【小结】

本研究利用温度梯度辅助生长的方式制备了厘米尺度的一维单晶硅纳米线，制备过程中SiO为硅源，锡棒为催化剂，管式炉提供相应的温度，制备的硅纳米线长度为平均长度为1.45 ± 0.06 cm，生长速度为330 μm/min。对制备的硅纳米线进行TEM表征，结果表明超长硅纳米线为单晶硅，并且沿着(110)晶面延伸，具有连续的晶体结构，没有明显的面缺陷以及生长方向的该变。将制备的单晶硅纳米线制成可穿戴式应变传感器检测人体手指关节活动，结果表明制备的传感器具有良好的灵活性、较高的灵敏度以及优良的重复利用性能。

文献链接：Centimeter-Long Single-Crystalline Si Nanowires（Nano. Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b02967）

本文由材料人编辑部新人组杨传玺编辑，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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